埋地管道的失效機(jī)理及其可靠性研究.pdf

1、埋地管道已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中一種重要的基礎(chǔ)設(shè)施。絕大多數(shù)地下管道的日常破壞失效是由于管道損傷累積和抗力衰退到一定程度，再加上外部荷載作用導(dǎo)致管道超過(guò)其極限承載力所致，是一個(gè)不可逆的緩慢災(zāi)變過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)外城市中早期埋設(shè)的部分管網(wǎng)己經(jīng)面臨著破損頻繁、漏失嚴(yán)重、輸流能力不足等問(wèn)題。因此，開(kāi)展埋地管道的失效機(jī)理及其可靠性研究，可以在一定程度上預(yù)測(cè)地下管道的失效行為，合理制定修護(hù)或更換計(jì)劃，變被動(dòng)管理為主動(dòng)管理。本文采用理論分析、數(shù)值模擬、算例驗(yàn)

2、證相結(jié)合的方法對(duì)埋地管道管土相互作用受力計(jì)算模型、金屬管道腐蝕模型和塑料管道的裂紋擴(kuò)展模型、帶腐蝕缺陷管道的應(yīng)力集中和剩余強(qiáng)度計(jì)算、管道失效的可靠度和模糊可靠性等方面進(jìn)行了研究。 (1)基于溫克爾地基梁模型，考慮存在未支撐區(qū)、土體非線性和溫度荷載，建立和完善了管道縱向拉伸和縱向彎曲的彈塑性受力計(jì)算模型，并用有限元數(shù)值解驗(yàn)證了解析模型的正確性。通過(guò)對(duì)參數(shù)如管徑、未支撐長(zhǎng)度、土體縱向剛度、管材、溫差等進(jìn)行敏感性分析得到如下規(guī)律：小直

3、徑管道以縱向應(yīng)力導(dǎo)致的環(huán)向開(kāi)裂失效為主，而較大直徑管道多數(shù)為環(huán)向應(yīng)力導(dǎo)致的縱向開(kāi)裂失效，溫度荷載產(chǎn)生的縱向拉伸應(yīng)力和管道懸空造成的縱向彎曲應(yīng)力更容易使小直徑管道破壞。彈塑性與彈性分析得到的應(yīng)力相差較小，用彈性分析解來(lái)替代彈塑性分析解可以簡(jiǎn)化方程的形式。 (2)各種管材具有各自不同的材料退化特性。考慮土壤腐蝕對(duì)金屬管道的影響，建立定量描述腐蝕的冪函數(shù)模型、二階段腐蝕模型和線性模型；考慮UPVC塑料管初始裂紋的慢速擴(kuò)展特性，給出裂紋

4、擴(kuò)展的力學(xué)表達(dá)式。根據(jù)實(shí)測(cè)管道腐蝕深度和管周土壤腐蝕指標(biāo)，分析了土壤腐蝕指標(biāo)與管道腐蝕程度之間的相關(guān)性。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與腐蝕模型計(jì)算值具有較大的離散性，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或地區(qū)經(jīng)驗(yàn)對(duì)腐蝕模型進(jìn)行修正。 (3)腐蝕或缺陷的產(chǎn)生削弱管道的承載能力。為考慮腐蝕或缺陷對(duì)管道失效的影響，從應(yīng)力集中系數(shù)和剩余強(qiáng)度兩個(gè)不同的角度入手進(jìn)行研究： 通過(guò)非線性有限元模型求解帶球形腐蝕坑灰口鑄鐵管道的應(yīng)力集中系數(shù)，得到應(yīng)力集中系數(shù)隨腐蝕

5、深度和管道應(yīng)力變化的曲線。考慮鑄鐵材料的非線性，應(yīng)力集中系數(shù)是管道的缺陷尺寸和管道所受應(yīng)力的函數(shù)。 建立了有限元求解帶腐蝕缺陷管道的應(yīng)力強(qiáng)度因子的三維數(shù)值模型，并分別對(duì)縱向拉伸、縱向彎曲、環(huán)向彎曲和環(huán)向拉伸四種工況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了計(jì)算，得到了不同腐蝕坑形狀下應(yīng)力強(qiáng)度因子沿裂紋線變化的規(guī)律，進(jìn)而得到管道的應(yīng)力強(qiáng)度因子與腐蝕坑尺寸之間的關(guān)系，并擬合得到剩余強(qiáng)度公式。 (4)考慮到管道失效的不確定性，基于隨機(jī)概率理論，利

6、用一次二階矩法(FORM)和蒙特卡羅(MC)隨機(jī)模擬法，通過(guò)自編程序?qū)铱阼T鐵管、鋼管和UPVC塑料管三個(gè)埋地管道典型算例進(jìn)行了失效可靠度研究。參數(shù)敏感性分析表明：所有影響灰口鑄鐵管道安全因子的隨機(jī)參數(shù)中，未支撐長(zhǎng)度、溫差、腐蝕參數(shù)、剩余強(qiáng)度參數(shù)是最重要的；對(duì)埋地鋼管來(lái)說(shuō)，腐蝕參數(shù)、屈服強(qiáng)度、內(nèi)壓、壁厚、殘余應(yīng)力對(duì)管道失效的作用較大；對(duì)UPVC塑料管來(lái)說(shuō)，初始裂紋的影響最大，其次是管道內(nèi)壓、殘余應(yīng)力和壁厚。 (5)通過(guò)深入比較各

7、種模糊運(yùn)算算法的原理、適用范圍和計(jì)算效率，構(gòu)建了埋地管道失效可靠性模糊分析的一般方法，提出了同時(shí)考慮隨機(jī)性和模糊性的不確定性分析方法；并分別編制了利用a-割集優(yōu)化方法求解復(fù)雜的模糊模型，以及聯(lián)合考慮模糊性和隨機(jī)性的數(shù)值計(jì)算程序。通過(guò)對(duì)埋地鋼管的腐蝕失效算例分析表明，模糊可靠性理論在管道失效分析中的應(yīng)用，使獲取數(shù)據(jù)的難度大大降低，用概率區(qū)間度量失效概率反映了真實(shí)存在的不確定性，即信息的缺失量，給出的失效概率區(qū)間估計(jì)可為科學(xué)決策提供參考。