礦漿管道極限承載能力和壽命預(yù)測研究.pdf

1、包鋼礦漿管線工程是目前國內(nèi)第三條高壓礦漿管線,是內(nèi)蒙古自治區(qū)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目,也是目前為止國內(nèi)壓力最高、管徑最大、雙管線輸送距離最長的礦漿管線,受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)期歷時(shí)六年,建成投產(chǎn)后每年為包鋼集團(tuán)創(chuàng)造12億元的經(jīng)濟(jì)效益,社會(huì)效益和環(huán)境效益也十分可觀。其中起始端的19公里采用的無縫管,是由包鋼自行冶煉、自行軋制、自行施工的,對其進(jìn)行運(yùn)行的安全性風(fēng)險(xiǎn)評估和服役壽命的預(yù)測具有重要意義。
　　本文首先系統(tǒng)分析了埋地管線所

2、承受的各種荷載,分別計(jì)算了管道內(nèi)壓力、土壓力、縱向推力、彎矩、地震荷載、水錘效應(yīng)、橫向推力、爆破壓力等荷載,確定高壓管線的各種工況條件下,管線內(nèi)壓力是決定性的因素,遠(yuǎn)大于其他荷載的影響。
　　在分析材料的力學(xué)性能、缺陷的參數(shù)、管線失效模式的基礎(chǔ)上，研究了管線的應(yīng)力狀態(tài),引進(jìn)了俞茂宏統(tǒng)一強(qiáng)度理論對極限承載能力進(jìn)行研究,用解析的方法確定了彈性極限解和塑性極限解,揭示出壁厚、管徑、缺陷尺寸、材料屈服極限之間的關(guān)系,對于決定管線應(yīng)力狀態(tài)的

3、各個(gè)變量,包括缺陷深度、缺陷寬度、缺陷長度以及壁厚誤差、失圓度等,分別分析了其對管道應(yīng)力的影響。
　　承受極高壓力的礦漿管道,其破壞特征是短暫的塑性發(fā)展階段后即迅速爆裂,失效模式應(yīng)避免脆性斷裂和彈塑性撕裂,為此根據(jù)失效的強(qiáng)度模型和壽命模型,以及許用應(yīng)力準(zhǔn)則和剩余強(qiáng)度系數(shù)準(zhǔn)則,建立了管線的極限狀態(tài)方程和失效準(zhǔn)則,但是失效模式與評定參數(shù)都是模糊隨機(jī)的,本文整理了大量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和施工現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),對這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明,包括缺陷尺

4、寸、發(fā)展速率、材料強(qiáng)度等評定參數(shù)符合不同的概率分布規(guī)律,并且具有模糊隨機(jī)的特性。
　　試驗(yàn)和實(shí)測數(shù)據(jù)有一定的局限性,需要通過最小二乘法對古比爾分布、正態(tài)分布、均勻分布的參數(shù)進(jìn)行估計(jì),確定了分布的均值、期望、方差、變異系數(shù)等參數(shù)取值,之后采用蒙特卡洛方法,生成大量的隨機(jī)數(shù)據(jù),對于最關(guān)鍵的缺陷尺寸,按照古比爾分布的函數(shù),將有限的數(shù)據(jù)擴(kuò)展生成大樣本的模擬數(shù)據(jù),進(jìn)而建立了模糊隨機(jī)概率數(shù)據(jù)空間。
　　缺陷的發(fā)展速率是另一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù),依

5、據(jù)磨損腐蝕試驗(yàn)所取得的42小時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為了預(yù)測任意時(shí)間的缺陷增加值,采用了灰色系統(tǒng)理論,以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為原數(shù)列,采用累加生成,同樣采用最小二乘法求解灰度向量,確定灰度參數(shù),建立時(shí)間響應(yīng)函數(shù),從而預(yù)測出逐年的缺陷發(fā)展速率值。與初始缺陷尺寸相加,將模糊隨機(jī)概率數(shù)據(jù)空間擴(kuò)展到任意時(shí)間。
　　根據(jù)俞茂宏統(tǒng)一強(qiáng)度理論的彈性極限和塑性極限解,校核數(shù)據(jù)空間中各數(shù)據(jù)的承載能力,判定其是否達(dá)到極限狀態(tài),以及失效模式,再計(jì)算數(shù)據(jù)的失效概率和再現(xiàn)時(shí)間,最

6、終繪制出管線的壽命曲線。
　　通過對壽命曲線的分析,確定包鋼礦漿管線的安全服役期限,將管線的安全運(yùn)行劃分為安全運(yùn)行期、監(jiān)測運(yùn)行期、有限安全期、超期服役期、加速失效期、失效破壞期、報(bào)廢期等跨越60年的七個(gè)階段,給出各個(gè)時(shí)期的失效概率,在管線的缺陷不斷發(fā)展過程中,回答了的關(guān)于剩余強(qiáng)度、剩余壽命和超期服役可能性等三個(gè)基本的問題,為包鋼的生產(chǎn)運(yùn)行提供了科學(xué)決策的依據(jù)。
　　本文的研究以統(tǒng)一強(qiáng)度理論為核心內(nèi)容,以試驗(yàn)和實(shí)測數(shù)據(jù)為背景依

7、據(jù),以受力分析為基礎(chǔ),以古比爾分布和灰色系統(tǒng)為關(guān)鍵手段,解決了礦漿管道的壽命預(yù)測的問題。文章涉及到了礦業(yè)、油氣儲(chǔ)運(yùn)、冶煉、化工、機(jī)械、腐蝕防護(hù)等多個(gè)行業(yè),適用了模糊隨機(jī)概率理論、可靠度理論、灰色系統(tǒng)理論、極值分布參數(shù)估計(jì)、化學(xué)腐蝕與機(jī)械磨損理論,引進(jìn)了流體力學(xué)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、彈塑性力學(xué)、材料力學(xué)的最新研究成果,推導(dǎo)了統(tǒng)一強(qiáng)度理論的解析解。
　　本文的研究成果可以直接用于礦漿管線、油氣管線、化工管線、市政管網(wǎng)