礦漿管道極限承載能力和壽命預測研究.pdf

1、包鋼礦漿管線工程是目前國內第三條高壓礦漿管線,是內蒙古自治區(qū)重點建設項目,也是目前為止國內壓力最高、管徑最大、雙管線輸送距離最長的礦漿管線,受到了國內外廣泛的關注。整個項目的建設期歷時六年,建成投產后每年為包鋼集團創(chuàng)造12億元的經濟效益,社會效益和環(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,對其進行運行的安全性風險評估和服役壽命的預測具有重要意義。
　　本文首先系統(tǒng)分析了埋地管線所

2、承受的各種荷載,分別計算了管道內壓力、土壓力、縱向推力、彎矩、地震荷載、水錘效應、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,管線內壓力是決定性的因素,遠大于其他荷載的影響。
　　在分析材料的力學性能、缺陷的參數、管線失效模式的基礎上，研究了管線的應力狀態(tài),引進了俞茂宏統(tǒng)一強度理論對極限承載能力進行研究,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系,對于決定管線應力狀態(tài)的

3、各個變量,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,失效模式應避免脆性斷裂和彈塑性撕裂,為此根據失效的強度模型和壽命模型,以及許用應力準則和剩余強度系數準則,建立了管線的極限狀態(tài)方程和失效準則,但是失效模式與評定參數都是模糊隨機的,本文整理了大量的相關實驗數據和施工現(xiàn)場實測數據,對這些數據的統(tǒng)計分析表明,包括缺陷尺

4、寸、發(fā)展速率、材料強度等評定參數符合不同的概率分布規(guī)律,并且具有模糊隨機的特性。
　　試驗和實測數據有一定的局限性,需要通過最小二乘法對古比爾分布、正態(tài)分布、均勻分布的參數進行估計,確定了分布的均值、期望、方差、變異系數等參數取值,之后采用蒙特卡洛方法,生成大量的隨機數據,對于最關鍵的缺陷尺寸,按照古比爾分布的函數,將有限的數據擴展生成大樣本的模擬數據,進而建立了模糊隨機概率數據空間。
　　缺陷的發(fā)展速率是另一個關鍵數據,依

5、據磨損腐蝕試驗所取得的42小時實驗數據,為了預測任意時間的缺陷增加值,采用了灰色系統(tǒng)理論,以實驗數據為原數列,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,建立時間響應函數,從而預測出逐年的缺陷發(fā)展速率值。與初始缺陷尺寸相加,將模糊隨機概率數據空間擴展到任意時間。
　　根據俞茂宏統(tǒng)一強度理論的彈性極限和塑性極限解,校核數據空間中各數據的承載能力,判定其是否達到極限狀態(tài),以及失效模式,再計算數據的失效概率和再現(xiàn)時間,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,將管線的安全運行劃分為安全運行期、監(jiān)測運行期、有限安全期、超期服役期、加速失效期、失效破壞期、報廢期等跨越60年的七個階段,給出各個時期的失效概率,在管線的缺陷不斷發(fā)展過程中,回答了的關于剩余強度、剩余壽命和超期服役可能性等三個基本的問題,為包鋼的生產運行提供了科學決策的依據。
　　本文的研究以統(tǒng)一強度理論為核心內容,以試驗和實測數據為背景依

7、據,以受力分析為基礎,以古比爾分布和灰色系統(tǒng)為關鍵手段,解決了礦漿管道的壽命預測的問題。文章涉及到了礦業(yè)、油氣儲運、冶煉、化工、機械、腐蝕防護等多個行業(yè),適用了模糊隨機概率理論、可靠度理論、灰色系統(tǒng)理論、極值分布參數估計、化學腐蝕與機械磨損理論,引進了流體力學、土力學、結構力學、斷裂力學、損傷力學、彈塑性力學、材料力學的最新研究成果,推導了統(tǒng)一強度理論的解析解。
　　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