交通载荷作用下聚乙烯燃气管道失效率分析

[1 - 2]
合应力由内压 p, 管土相互作用的静外载荷 w c及动外 载荷 w l联合组成
σr = σ θ =
a p- b a p- b
2 2 2 2
[3]
。根据材料力学 , 可推导得到
+
( p - w c - w l ) a2 b2 b - a b - a
2 2 2
[4]
:
(w c + w l )
的二轴六轮 (前轴两轮 , 后轴四轮 , 轴距 118 m , 车 轮着地宽度 012 m , 车轮着地长度 012 m ) 车辆作为 交通载荷 , 分别计算在不同的工作压力 , 不同埋深 , 不同吨级车辆载荷下的 PE 管道失效率 。随机变量分 布类型如表 1 所示
[ 3, 9 - 10 ]
The Ana lysis of Fa ilure Ra te of Polyethylene Ga s P ipelin e under Traff ic L oad
ZHENG M ian 2bin, ZHANG L ing
( School of M echanical & Automotive Eng . , South China University of Technology, Guangzhou 510640)
could access to the PE p ipe failure rate at different dep ths and under common internal and external load. Polyethylene Gas Pipeline, M inim um Required Strength ( MRS ) , Failure Rate
1 - exp ( - 2 ku ′ )
cd = h bd ( 7)
= [ r] - σlim t
2
即 y = f
( x)
= [ r] -
2b ( p - wc - w l ) 2 2・ b - a
(13)
极限状态方程式中 , 因为交通载荷应力 σw l是极 大值 I型分布 , PE 管材允许最大应力为对数正态分 布 , 常用的计算可靠性的干涉面积法 、二阶矩法 、哈 - 林法等方法不适用 , 故在此应用派罗黑摩 ( Palo 2
σ1 - σ3 =σs
( 3)
式中 , σs为材料的屈服极限 , 综合 ( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 式 , 可得 :
σ =σ1 - σ3 =
2 2 2 ( p - wc - w l ) a b
b - a
2
2
・
1
r
2
( 4)
1 载荷综合应力计算方法
在役埋地 PE 燃气管道在交通载荷作用下 , 其综
3 算例分析
某一工程直埋敷设一条穿越公路的天然气管道 , 需要分析服役过程中 , 在交通载荷作用下的失效率 , 该管道以 SDR11 系列的公称外径为 400 mm , 壁厚为
。在此应用极大 I型分布作为交通
载荷应力 w l分布 。随机变量的均值 μw l和方差 δ w l:
第 37 卷第 2 期
郑绵彬等 : 交通载荷作用下聚乙烯燃气管道失效率分析
[8]
・41・
3614 mm 的 PE100 作为管材
。在常温下和以典型
时 , 失效率几乎达到零了 , 即由于内外载荷所引起的 韧性断裂概率几乎为零 ; 从图 4 得知 , 有交通载荷远 远大于埋地管上方的土壤的垂直压力 , 并且在外载荷 中 , 由于土拱的作用 , 随着埋深的增加 , 土壤的垂直 压力增长并不快 , 而交通载荷作用力降低较快。
的土壤载荷要明显小于刚性管的土壤载荷 , 可由下式
( 6)
δ- 正态分布下的均值和方差 。 式中 , λ、
212 极限方程及求解
y = f ( x)
式中 , cd - 载荷系数 ; r - 土壤密度 ; bd - 管道顶部沟 槽的水平宽度 , 可根据 《聚乙烯燃气管道工程技术 规程 》 ( CJJ 6395 ) 取值 ; bc - 管道的水平宽度 , 即 外径 。
。利
用编程求得可靠度指标 β, 同时可以得到失效率 pf , 编程主要步骤如下 。 ( 1 ) 初始 化 已 知 参 量 , 把 应 力 计 算 等 公 式 程 序化 ; ( 2 ) 编制 人 机 交 换 接 口 , 可 输 入 不 同 的 边 界 条件 ; ( 3 ) 编写 Paloheimo 法当量正态化子程序 , 子程 序的编写思路如图 1 所示 ; ( 4 ) 程序运算 , 获得不同边界条件下的 PE 失 效率 。 按照上面的主要步骤 , 编写 Paloheimo 法的失效 率计算机程序 , 由于交通载荷应力 σlim t服从极值 I型 最大值分布 , 故上面的流程图可看出 , 灵敏系数 ai与 < (β) 存在关联 , 而 VB 程序设计实现 β值与 < (β) 的自动查询是一个难点 , 在此应用辛普森法 , 求正态 分布的密度函数 < (β)
式中 , Qvi, k - 车辆的一个车轮承担的单个轮压标准 值 ; ai - 一个车轮的着地分布长度 ; bi - 一个车轮的 着地分布宽度 ; h - 自车行地面至管顶的深度 ; ma 沿车轮着地分布长度的车轮排数 ; mb - 沿车轮着地 分布宽度的车轮排数 ; da j - 沿车轮着地分布长度方 向 , 相邻两排车轮的净距离 ; db j - 沿车轮着地分布 宽度方向 , 相邻两个车轮的净距离 ; μd - 动力系数 , 根据 GB 50332 —2002, 按不同的管道埋深 , 获得相 应的值 。
聚乙烯 ( PE) 燃气管道具有耐低温、耐腐蚀和刚 柔相济等卓越特性 , 迎来了管道领域 “ 以塑代钢 ”时 代 , 目前 , 美国和西欧部分国家的 PE煤气和天然气管 道普及率已近 100% , 我国也开始逐渐大量地使用 PE 作为燃气管材 。由于燃气的可燃性、易爆性 , 如 果发生燃气泄漏 , 极易发生爆炸事故 , PE 管材取代钢 管作为燃气输配管线 , 同样要求评估其可靠性。 由于机械强度较低是 PE 燃气管道的主要缺点 , 在较高的工作压力及外载荷共同作用下 , 很容易发生 韧 性 断 裂 。本 文 针 对 PE 管 材 长 期 静 液 压 强 度 (MRS) 值 , 建立了交通载荷作用下的失效率计算模 型 , 并且编制了模型的计算机程序 , 通过简单的程序 计算 , 能够获得 PE 管材在不同埋深及内外载荷共同 作用下的失效率 , 可为 PE 燃气管道的可靠性评估提 供参考 。
Abstract: Polyethylene ( PE ) gas p ipeline had many outstanding features, which successfully solved the t wo major traditional p ipeline corrosion and joint leakage p roblem s . But the lower mechanical strength was the m ain drawback, and m inim um required strength (MRS) was one of the key index to m easure p ipe perform 2 ance of long2ter m use. This paper ai m ed at PE p ipe MRS value to establish failure rate calculation model un2 Through simp le p rocedure calculation, we Traffic Load, der traffic load and developed the modelπ s computer p rogram. Keywords:
2
b - a
2 2
・ ・
1
r r
2
(1) ( 2)
(w c + w l )
2
( p - w c - w l ) a2 b2
2
1
2
b - a
式中 , σr - 径向应力 ; σ θ - 环向应力 ; b - 外径 , a 外管道上任意点到轴中心的径向距离 。 因为两者同为主应力 , 故可记为 σ θ =σ 1 , σr = σ3 , 根据第三强度理论 (最大剪应力理论 ) :
π 2
在区间 ( - ∞,
1
e
- x /2
2 失效率计算方法
211 随机变量分布模型
β
β) 的定积分 , 即求积 < (β) 从而解决了查值问题 。
=
∫
-∞
π 2
dx,
极值分布是一种特殊的分布 , 适应于寿命分析和 应力分析 , 即如装置受最大冲击 , 决定其寿命者 , 可 应用该分布模型
[7]
由 于
b - a
2 2
p 与
2 2
wc、 w l 的 方 向 相 反 , 即
2 ( p - wc - w l ) a b
> 0, 故当 r取最小值 r = a 时 , σ
作者简介 : 郑绵彬 , 男 , 1981年生 , 博士生 , 研究方向为过程装备安全可靠性及风险评价技术。mb1zheng@mail1 scut1edu1cn
第 37 卷第 2 期 2009 年 2 月
塑料工业 CH I NA PLASTICS I NDUSTRY
・39・
交通载荷作用下聚乙烯燃气管道失效率分析
郑绵彬 , 张 玲
(华南理工大学机械与汽车工程学院 , 广东 广州 510640 )
摘要 : 聚乙烯 ( PE ) 燃气管道具有的许多卓越特性 , 圆满地解决了传统管道的腐蚀和接头泄漏两大难题 , 但机 械强度较低是其主要缺点 , 长期静液压强度 (MRS) 是衡量 PE管材长期使用性能的主要指标 。针对 PE管材 MRS值 , 建立了交通载荷作用下的失效率计算模型 , 并且编制了模型的计算机程序 , 通过简单的程序计算 , 能够获得 PE 管材 在不同埋深及内外载荷共同作用下的失效率 。 关键词 : PE燃气管道 ; MRS; 交通载荷 ; 失效率 中图分类号 : TQ32511 + 2; TQ54718 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 - 5770 ( 2009 ) 02 - 0039 - 04