埋地管道的失效机理及其可靠性研究

摘要

埋地管道已经成为现代社会中一种重要的基础设施。绝大多数地下管道的日常破坏失效是由于管道损伤累积和抗力衰退到一定程度，再加上外部荷载作用导致管道超过其极限承载力所致，是一个不可逆的缓慢灾变过程。目前国内外城市中早期埋设的部分管网己经面临着破损频繁、漏失严重、输流能力不足等问题。因此，开展埋地管道的失效机理及其可靠性研究，可以在一定程度上预测地下管道的失效行为，合理制定修护或更换计划，变被动管理为主动管理。本文采用理论分析、数值模拟、算例验证相结合的方法对埋地管道管土相互作用受力计算模型、金属管道腐蚀模型和塑料管道的裂纹扩展模型、带腐蚀缺陷管道的应力集中和剩余强度计算、管道失效的可靠度和模糊可靠性等方面进行了研究。 (1)基于温克尔地基梁模型，考虑存在未支撑区、土体非线性和温度荷载，建立和完善了管道纵向拉伸和纵向弯曲的弹塑性受力计算模型，并用有限元数值解验证了解析模型的正确性。通过对参数如管径、未支撑长度、土体纵向刚度、管材、温差等进行敏感性分析得到如下规律：小直径管道以纵向应力导致的环向开裂失效为主，而较大直径管道多数为环向应力导致的纵向开裂失效，温度荷载产生的纵向拉伸应力和管道悬空造成的纵向弯曲应力更容易使小直径管道破坏。弹塑性与弹性分析得到的应力相差较小，用弹性分析解来替代弹塑性分析解可以简化方程的形式。 (2)各种管材具有各自不同的材料退化特性。考虑土壤腐蚀对金属管道的影响，建立定量描述腐蚀的幂函数模型、二阶段腐蚀模型和线性模型；考虑UPVC塑料管初始裂纹的慢速扩展特性，给出裂纹扩展的力学表达式。根据实测管道腐蚀深度和管周土壤腐蚀指标，分析了土壤腐蚀指标与管道腐蚀程度之间的相关性。实测数据与腐蚀模型计算值具有较大的离散性，在实际工程应用时应根据实测数据或地区经验对腐蚀模型进行修正。 (3)腐蚀或缺陷的产生削弱管道的承载能力。为考虑腐蚀或缺陷对管道失效的影响，从应力集中系数和剩余强度两个不同的角度入手进行研究： 通过非线性有限元模型求解带球形腐蚀坑灰口铸铁管道的应力集中系数，得到应力集中系数随腐蚀深度和管道应力变化的曲线。考虑铸铁材料的非线性，应力集中系数是管道的缺陷尺寸和管道所受应力的函数。 建立了有限元求解带腐蚀缺陷管道的应力强度因子的三维数值模型，并分别对纵向拉伸、纵向弯曲、环向弯曲和环向拉伸四种工况下的应力强度因子进行了计算，得到了不同腐蚀坑形状下应力强度因子沿裂纹线变化的规律，进而得到管道的应力强度因子与腐蚀坑尺寸之间的关系，并拟合得到剩余强度公式。 (4)考虑到管道失效的不确定性，基于随机概率理论，利用一次二阶矩法(FORM)和蒙特卡罗(MC)随机模拟法，通过自编程序对灰口铸铁管、钢管和UPVC塑料管三个埋地管道典型算例进行了失效可靠度研究。参数敏感性分析表明：所有影响灰口铸铁管道安全因子的随机参数中，未支撑长度、温差、腐蚀参数、剩余强度参数是最重要的；对埋地钢管来说，腐蚀参数、屈服强度、内压、壁厚、残余应力对管道失效的作用较大；对UPVC塑料管来说，初始裂纹的影响最大，其次是管道内压、残余应力和壁厚。 (5)通过深入比较各种模糊运算算法的原理、适用范围和计算效率，构建了埋地管道失效可靠性模糊分析的一般方法，提出了同时考虑随机性和模糊性的不确定性分析方法；并分别编制了利用a-割集优化方法求解复杂的模糊模型，以及联合考虑模糊性和随机性的数值计算程序。通过对埋地钢管的腐蚀失效算例分析表明，模糊可靠性理论在管道失效分析中的应用，使获取数据的难度大大降低，用概率区间度量失效概率反映了真实存在的不确定性，即信息的缺失量，给出的失效概率区间估计可为科学决策提供参考。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1埋地管道的现状和趋势

1.1.2埋地管道的失效原因

1.1.3本课题的研究意义

1.2研究历史与现状

1.2.1管道受力计算模型

1.2.2管道的抗力衰退模型

1.2.3管道失效可靠度

1.3研究现状简述

1.4本文研究方案

1.4.1研究内容

1.4.2研究方法

第2章管道受力计算模型

2.1引言

2.2管道作用荷载计算

2.2.1土体荷载

2.2.2路面荷载

2.2.3水击压力

2.2.4其他荷载

2.3管道应力计算

2.3.1纵向拉伸应力

2.3.2纵向弯曲应力

2.3.3环向弯曲应力

2.3.4环向拉伸应力

2.3.5残余应力

2.4本章小结

第3章管道损伤量化模型及检测技术

3.1 引言

3.2金属管道的腐蚀模型

3.2.1管道腐蚀模型概述

3.2.2土壤腐蚀性定量描述

3.3塑料管道的裂纹扩展和疲劳失效模型

3.3.1静荷载作用下的裂纹扩展

3.3.2循环荷载作用下的疲劳失效

3.4在役管道无损检测技术

3.5本章小结

第4章管道的失效理论和剩余强度计算

4.1引言

4.2管道的材料特性

4.2.1铸铁管道

4.2.2钢管

4.2.3塑料管道

4.3管道的失效理论

4.3.1铸铁管道

4.3.2钢管

4.3.3塑料管道

4.4腐蚀管道极限荷载试验

4.4.1平行板试验数值模拟方法

4.4.2有限元模型及验证

4.4.3无腐蚀管道的应力分析

4.5腐蚀管道的应力集中系数

4.5.1计算模型

4.5.2管道平面内弯曲

4.5.3管道内部压力

4.5.4管道纵向弯曲

4.6基于断裂力学的剩余强度

4.6.1断裂力学基本概念

4.6.2应力强度因子的有限元求解理论

4.7带缺陷管道的应力强度因子

4.7.1管道纵向拉伸

4.7.2管道纵向弯曲

4.7.3管道内部压力

4.7.4管道平面内弯曲

4.8本章小结

第5章管道失效的可靠度分析

5.1引言

5.2确定性失效分析

5.2.1分析流程及公式汇总

5.2.2埋地铸铁管的典型算例

5.3可靠度理论

5.3.1可靠度与可靠度指标β

5.3.2随机变量概率分布变换

5.3.3 FORM、SORM与随机模拟法

5.3.4随机变量的重要性及其参数的敏感性

5.4灰口铸铁管的失效可靠度分析

5.4.1随机参数和极限状态函数

5.4.2失效分布函数和失效风险率

5.4.3参数敏感性分析

5.5埋地钢管失效可靠度分析

5.5.1埋地钢管腐蚀失效模型

5.5.2算例随机参数

5.5.3参数敏感性分析

5.6塑料管的失效可靠度分析

5.6.1 PVC管平面内断裂失效模型

5.6.2管道组的失效风险率的计算

5.6.3算例随机参数

5.6.4计算结果分析

5.7本章小结

第6章管道失效的模糊可靠性分析

6.1引言

6.2模糊运算理论

6.2.1基本概念

6.2.2各种模糊运算算法

6.2.3模糊运算算法比较

6.3联合模糊和随机不确定性失效分析

6.3.1证据理论、概率与可能性测度

6.3.2混合计算过程

6.3.3后处理方法

6.4埋地钢管失效模糊可靠性分析

6.4.1埋地钢管腐蚀失效模型

6.4.2模糊参数

6.4.3参数敏感性分析

6.5埋地钢管失效模糊随机混合分析

6.5.1随机参数和模糊参数

6.5.2计算结果分析

6.6本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

附录

发表(录用)的学术论文目录

致谢