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挖掘机设备引起的管道外部干扰穿刺加载实验


2、外文资料翻译译文 挖掘机设备引起的管道外部干扰穿刺加载实验
丹尼尔· 布鲁克 位于斯特灵 35 号公路克劳利的石油与天然气工程西澳大利亚大学在 2005 年 2 月 7 日收到,在 2005 年 6 月 23 日修订,在 2005 年 7 月 13 日接受。 摘要 针对渗透挖掘机铲斗齿的钢铁管道提出了一系列的穿刺实验。 静态穿刺力是 由 4.8 -6.9 毫米壁厚管道得到的,适用各种不同的齿几何图形;主要是小截面或 锋利的牙齿类型使用。提出了不同齿方向的实验结果。结果相比之前有限元模拟 的问题和先前派生穿刺的关系。 实验为使用一个简单的可用于管道风险评估的穿 刺力方程提供了良好的验证。问 2005 爱思唯尔有限公司保留所有权利。 关键词:管道;挖掘机;外部干扰;渗透;穿刺。 1。介绍 对于陆上石油和天然气输送管道完整性的主要威胁之一是来自土方作业机 械干扰,特别是挖掘机或反铲挖掘式设备。穿刺事件可能导致的严重后果有生命 损失,伤害,财产损失和环境破坏,管道设计师都更强调反对外部干扰地预防措施 和提供足够的抗穿刺阻力。 钢铁管道提供一定程度的抗渗透性;然而,为了管道设 计者使用穿透阻力作为对穿刺的物理措施,我们必须能够量化这种阻力为现实的 干扰事件。 先前的研究通过使用有限元数值分析方法已经调查了外部干扰问题。 这涉及 到使用造型管道穿刺有限元(FE)材料失效模型的开发和验证 [1]和在挖掘机载 荷作用下[2]使用他的模型参数研究管道穿刺。 同时数值穿刺模型与以前公布的测试结果高度关联[3 - 5],小牙横截面(如 渗透类型的牙齿)还没有验证实验。在这种情况下,确认将小齿大小作为数值结 果与一些先前建立分析方法不同这是特别有用的, (例如欧洲管道研究小组(EPRG) 方法[6],司机的方程[4])。这些现有的关系都是半经验,主要是基于使用大牙齿 尺寸获得的实验结果。 来自尖锐的压头损失对澳大利亚输气管道尤其相关,在那里使用小直径、高 强度、 薄壁管道比其他地方更加普遍。 降低壁厚线更容易从较小挖掘设备渗透(渗 透!15000 公斤),倾向于使用更斗技巧。大型液压挖掘机由于土壤条件也可以在

一些地区使用锋利的铲斗齿。 本文实验工作使用液压驱动检测设备对有限元结果描述和比较。 进行穿刺测 试(3 米)短管长度使用一系列不同大小和形状的挖掘机的齿,并将其按大小和等 级进行不同的组合管理。 这项工作的主要目的是为小齿尺寸获得静态穿刺负载信 息维度,对应故障范围为 100-200 KN。巴特尔[7]和 EPRG(3、5)以前公布的实验 工作主要集中在大齿尺寸和相对厚壁管,破坏荷载范围在 250–500KN。实验证实 如果由于锋利的铲斗齿(即渗透或老虎的牙齿配置文件)的影响而导致适当的失 效概率评估穿刺负载在低负载范围是至关重要的。 第二个实验工作的目的是研究穿刺的行为的一些基本特征。先前的研究[1、 2]强调齿的方向可能会影响穿刺负载。因此,一些验证齿取向影响的测试已经完 成。评估焊缝的穿刺负载的敏感性的单个测试也进行了。 2。穿刺实验 2.1。试验装置和程序

图 1 为穿刺测试用的万能试验机。通过数字数据采集系统记录挠度和负载。这台 机器通过 LVDT 的表偏转和使用安装在端头组件校准油压单元负载进行测量。 五个不同的挖掘机齿得到测试。 从不同的风格中选择了齿方面典型的小型挖
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掘机和装载机/反铲式设备。图 2 为不同齿的照片和表 1 为齿细节。图 3 为用符 号描述的齿方向。 图 4 显示了试验装置。测试管部分支持在砂床上,以确保在管道的底部提供 了实际分布式支持。这确保了结果不受管道基地的枢纽线影响。模压橡皮泥在基 槽形截面的两端使用,以防止沙子溢出。使用砂床支持管、随两端的压紧带,在安 装和测试期间都能防止管段的滚动。 装配的齿是为了测试工作专门制作的。 装配是为了提供齿在方向和定位的灵 活性,并使齿在水平面夹到任何位置和/或相对管道的纵轴旋转任意角度。 共有四种不同管几何图形被用于测试,如表 2 所述。测试管部分包含一系列 的管道直径、壁厚和材料等级,典型的澳大利亚的输电线路。三米长的 API-5L 部 分管道在所有情况下使用。为确定材料特性用每批后续管道的检验样品去测试。 在测试过程中管部分没有提供轴向约束,因此测试样品的长度(O10 直径)应 足以防止轴向拉伸的结束和过度成椭圆形的部分。 这种假设通过有限元建模开始 前的测试被证实。 后来的一些使用 2 米长短管(这里没有报告)的测试被证明是不 可靠的,伴随着整个长度的塑性变形。 在测试期间管道样本常压。先前的实验(4、5)和数值工作[2]表明,内部压力 几乎没有影响穿刺负载,尽管它影响穿刺的偏转 。

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2.2。实验结果 表3和4为实验结果。图5和6为试验装置和一个典型的应得的穿刺的照片。准 静态加载下的大部分实验工作是穿刺检查(加载测试之间的负荷率不同,内存速 度一般是0.06 - -0.18毫米/秒)。需要进一步扩大现有孔的三个测试的测量负载 也进行了(击穿现象的测试)。 最初对渗透齿的测试为了评估测试过程的可重复性(测试 G 和 J)。可重复性 非常好,测试结果匹配的破坏载荷的 0.4%和偏差 2.5% 。
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测试 F 被用来评估由于接近纵缝焊穿刺的敏感性负载。 由于焊缝的存在穿刺 负荷大幅下降。负载降低似乎与当地的壁厚成正比,这表明在局部壁变薄焊缝区 域相对穿刺负载材料特性的变化更重要。测试 F 是直接在进行缝焊;在所有其他 测试,这是确保测试发生远离焊接区域。 测试 B,I 和 D 认为 α 角的影响(齿的取向相对管的纵向轴线 参考图 3)。以 前的工作表明,α 角对穿刺负载的影响不大[2]。这些实验结果支持这一观点, 与穿刺负荷变化小于 10%的 08,458 和 908 的α 角。 利用齿和管道几何图形组合的穿刺测试为穿刺负载模型提供验证数据。 测试 M 和 O,还包括不同 β 角度(即联系管道中心线的偏移)。 三个击穿现象测试(C2、B2 和 H2)进行为了扩大现有的穿刺孔验证是否额外 的负载是必要的。 这旨在提供一种在一个干扰事件和由此产生的孔的大小之间作 用力的关系。 然而, 在所有的测试,扩展现有孔的负载保持相对稳定在 70kN 左右, 低于最初的穿刺负载。这些结果表明,挖掘机楔形状的齿不太可能提供额外的阻 力去抵抗一个洞的形成。 似乎合理,因此,假定孔的最大可能尺寸将限制于接触的 相邻齿或在实际干扰事件中铲斗边缘(即最大孔大小应该基于最大齿尺寸)。 在穿 刺实验中测量的孔的尺寸是对于给定的预期的齿尺寸的最小孔的代表。 3。与数值模拟的结果比较 对于选择的测试、有限元模型比较发达。在以前的数值工作[1,2]中相同的 造型技术和的材料失效模型被使用。 有限元模拟运行时完整的试样与平面接触提 供基础支持。砂床对结果不太可能产生强烈的影响,除非发生重要的椭圆形管。 这些测试是在管道截面发生严重失真前做的穿刺; 因此沙床在有限元模型中被忽 视以简化应用边界条件。 但是在管和表完全接触之前测试床两端的橡皮泥支持会 影响初始弹性挠曲。图7为有限元结果和实验载荷-挠度曲线。对有限元模型,穿 刺载荷取为在该齿下的所有元素已经达到了该材料的失效应变的载荷。 在有限元分析结果与实验之间的荷载 - 位移曲线的比赛是极好的所有审查 的案例。 穿刺负荷的预测是充分考虑到失效模型的近似性质和通常在使用有限元 方法预测材料撕裂观察的困难。 在表 5 中预测的和观察到的穿刺载荷发生在偏移 负载实验 M(图 8)中穿刺负荷最大的差异给出了 16%。

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4。比较的结果与以前派生穿刺的关系 在参考文献[2],一个数值参数的研究结果被用来获得一个基于负载管和齿 几何的计算穿刺的方程式(方程式 1)。这使穿刺负载接触正常管道。

相似,先前导出此负载条件下穿刺负载的半经验关系也被德里弗和齐默尔曼 [4]和研究组织提出。在方程式 2 和 3 中分别给出了这些关系的方程式。所有的 测试在方程式 1 和 3 的规定范围内进行了应用。对于齿尺寸约 70 毫米订购!5 毫 米[4]方程式 2 被认为是有效的(即仅适用于测试 A 和 N)。 从表 6 可以看出,在这里的一系列实验,方程式 1 最好的描述了穿刺负载。 其 他关系主要是基于使用齿长大于 60 毫米的相对厚壁管道测试。所有三个方程在 这种情况下可能是类似的准确性。 方程式 1 似乎最适合预测小型或锋利的齿接触 穿刺负载。 5。摘要和结论 这里的实验工作进行已验证之前的有限元建模[1、 2]和使用方程式 1 为预测
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齿面接触正常管道的静态穿刺阻力。实验结果也表明,齿的转动角对穿刺载荷影 响不大。管道中心线的接触偏移导致较低的穿刺负载,而不局限于曾建议的程度 [2]。结果证实,管壁厚度和斗齿尺寸是影响穿刺负载最重要的参数。 在许多方面本文中描述的工作不同于实际管道干扰事件。最重要的是,当前 只能静态穿刺检查,因此,不适用于动态事件影响,如在“截断”类型的操作中通 过移动挖掘机斗产生的影响,。 在常见的场景中,如在一个挖掘机操作员试图撬掉 被埋的岩石障碍中静载荷的假设是合理的。此外,如等式关系方程式 1 仅给出了 应用于理想情况下的齿方向上的穿刺负荷的预测。在实践中,负载可以应用在对 齿和/或管道任何方向且几个相邻的齿可以立刻接触一个管道。对于适当的描述 管道的穿刺载荷可能带来什么影响的进一步工作是必要的。 尽管这些观点,当前工作仍应使用风险评估研究,穿刺可能性的定性指导及 其结果是必需的。挖掘机挖掘力能力通常可以从制造商或通过发表在[6]的通用 公式,额定铲斗挖掘力通常是最大力量的1.5-2.0倍。比较这些值对方程式1提供 了一个简单的方法来评估哪些类型的机器是一个可信的穿刺威胁,也提供了根据 其额定挖掘机挖掘力对一个特定的威胁进行分类的方法。 实验结果也为可用于分 析结果的各种挖掘机铲斗齿制造的可能最小孔尺寸提供了近似的指导。 穿刺可分 为泄漏或破裂,例如,通过比较给定管道的临界缺陷长度和孔尺寸,且释放率可相 应地计算。 虽然本文主要集中于给管道设计者在管道的穿刺阻力上做定性指导,尤其是 薄壁管道,希望这里介绍的结果对在未来更多的定量风险评估有用。 6。感谢 本文报告的工作作为合作研究中心对焊接结构(CRC-WS)的一个研究项目的 一部分。这是由澳大利亚管道行业协会,它的许多成员公司和 CRC-WS 联合主办 的。 焊接结构合作研究中心(CRC-WS)成立并在澳大利亚政府的合作研究中心项目 支持下。真诚感谢供应管道样品的一钢公司。

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