Analyse théorique de la déformation des conduites de gaz en acier en tenant compte des effets de cisaillement sous les charges d'explosion de surface

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8658 (2022) Citer cet article

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Les charges de souffle au sol sont d'une grande importance pour l'exploitation sûre des conduites d'acier et de gaz, et les résultats obtenus à partir des formules théoriques traditionnelles pour la prédiction de la sécurité des conduites sont en erreur avec les données mesurées réelles. Dans cet article, des essais grandeur nature et des simulations numériques correspondantes sont effectués à l'aide de la théorie des faisceaux de Timoshenko et de la théorie des ondes de contrainte d'explosion, qui tiennent compte des effets de cisaillement. Dans le même temps, combiné à la théorie de la rigidité des fondations et du rapport de flexibilité de la rigidité du pipeline, un modèle théorique modifié est obtenu en fonction des conditions réelles du site, qui peut calculer avec précision la déformation et le déplacement de la charge d'explosion souterraine du pipeline et réduire considérablement l'erreur des résultats de prédiction théorique. L'innovation des résultats de recherche dans cet article est que la contrainte théorique dans la poutre de Timoshenko peut être remplacée par la déformation circonférentielle. D'autre part, la solution théorique modifiée peut obtenir le poids critique des explosifs pour éviter d'endommager le pipeline à différentes profondeurs enterrées. Il fournit une base théorique pour la protection des charges de souffle souterraines des pipelines et fournit des idées de recherche pour la protection et la conception sûres des pipelines.

En tant que principal moyen de transport du pétrole et du gaz, les pipelines enterrés de différents diamètres jouent un rôle énorme dans le domaine du transport de l'énergie, et leur sécurité structurelle est très préoccupante1,2,3. Cependant, avec la poursuite de l'urbanisation, conduisant à un réseau plus dense de pipelines enterrés, la sécurité et la protection des pipelines sont connues comme un problème de plus en plus important4,5,6. De plus, certaines opérations militaires et la production civile ont tendance à augmenter le risque de dommages explosifs aux pipelines en service7,8. Dans le même temps, le potentiel d'attentats terroristes a augmenté dans certaines zones, même avec plusieurs explosions le long des oléoducs et des gazoducs9. Entre-temps, après une enquête approfondie, il a été constaté que ces dernières années, les dommages causés par des tiers sont la principale cause de défaillance des pipelines enterrés et ont causé de graves accidents10. Par conséquent, il est important d'étudier les caractéristiques d'endommagement des pipelines sous charge de souffle.

Pour l'étude des canalisations sous charges de souffle au cours des dernières décennies, de nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées sur les canalisations enterrées soumises à des charges explosives au sol11,12,13. Par exemple, Zhang et al.14 ont utilisé la simulation numérique pour étudier les effets de différents facteurs sur la sécurité du pipeline, tels que le poids des explosifs, la distance horizontale entre les explosifs et le tuyau et la profondeur d'enfouissement du pipeline. Song et al.15 ont sélectionné le tuyau X70 pour les essais de souffle sur le terrain et ont obtenu quatre modes de défaillance différents en fonction de la déviation et du niveau de dommage du tuyau, y compris (a) le mode 1 est une grande déformation élastique-plastique dans la région centrale ; (b) le mode 2 est la surface extérieure du tuyau subit une grande déformation plastique et devient plus mince dans la région centrale; (c) le mode 3 est celui dans lequel les surfaces extérieure et intérieure du tuyau sont légèrement déchirées dans la région centrale ; (d) le mode 4 est celui où les parties avant et arrière du tuyau sont complètement déchirées. Sur la base des travaux de Mishra et al.16 et Zhang et al.17, les dommages ont été normalisés en critères de dommages locaux et en critères de défaillance globale selon le modèle de dommages. D'autre part, le critère de dommage du rapport déviation sur portée a été utilisé pour évaluer le degré de dommage aux conduites souterraines, et les dommages aux conduites peuvent être classés dans les quatre catégories suivantes, y compris (a) les dommages mineurs ; (b) dommages modérés; (c) dommages importants et (d) effondrement. A l'exemple des travaux de Bambach et al.18, qui ont utilisé des études en laboratoire pour analyser des poutres métalliques sous chargement de souffle transversal, en se concentrant principalement sur la partie déformation du métal solide. En plus des études en laboratoire, les études théoriques sont également fortement privilégiées par les chercheurs, certains auteurs comme Abedi et al.19 ont utilisé une méthode analytique théorique pour trouver la déviation du faisceau sous l'effet de l'onde de souffle. De plus, Olarewaju et al.20 ont mené une étude analytique et numérique de la réponse statique et dynamique des pipelines enterrés sous chargement de souffle. Pendant ce temps, certaines études ont étudié les caractéristiques de rupture des conduites en plus de simples études de déformation, comme Mirzaei et al.21, qui ont analysé la rupture dynamique des conduites sous des charges de souffle internes par des simulations numériques et des expériences.

Il ressort clairement de l'analyse ci-dessus que malgré l'utilisation intensive de méthodes expérimentales et analytiques dans la littérature, les analyses de simulation numérique ne peuvent être négligées car elles peuvent fournir des informations précieuses sur les détails de réponse des éléments structuraux avec des propriétés matérielles plus complexes22,23,24. Récemment, de nombreux chercheurs ont utilisé des logiciels de simulation numérique tels qu'ABAQUS, LS-DYNA et AUTODYN pour étudier l'effet de la charge de souffle sur les pipelines, et des paramètres de réponse dynamique plus détaillés ont été obtenus, qui n'ont pas pu être obtenus expérimentalement25,26,27. Cependant, ces littératures ne sont pas assez systématiques pour l'étude des paramètres de réponse dynamique, et le logiciel de simulation numérique a plus de paramètres, dans lesquels il est difficile de trouver de nombreuses études contenant la correspondance entre les essais sur le terrain et les simulations numériques. Cependant, il convient de mentionner que le mouvement post-endommagement des fragments explosifs est très important dans l'analyse dynamique des structures, alors qu'il est difficile de quantifier les propriétés des matériaux au moment de la déformation et de l'endommagement, la déformation des pipelines a été difficile à prévoir jusqu'à présent.

De plus, la recherche sur les paramètres de dynamitage et les paramètres des pipelines n'est pas assez complète et il n'y a pas assez d'explications théoriques sur la façon d'appliquer les caractéristiques de réponse dynamique à la protection de la sécurité des pipelines. Plus important encore, de nombreuses méthodes utilisées pour analyser les données de réponse de la simulation numérique ne sont pas suffisamment complètes et précises, et les modes de défaillance des pipelines enterrés de différents diamètres et profondeurs d'enfouissement sous des charges explosives de surface n'ont pas été suffisamment étudiés. De plus, la plupart des simulations numériques sont des logiciels commerciaux et les résultats de recherche sont similaires. Par conséquent, cet article introduit une approche d'analyse théorique, qui présente l'avantage que le modèle de critère de sécurité pour les pipelines sous différentes charges explosives de surface peut être étudié en combinant l'approche d'analyse théorique avec des critères de discrimination des dommages.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, cet article considère l'impact de la charge d'explosion de surface sur le pipeline, en même temps, plusieurs paramètres de réponse dynamique sont analysés et les dommages de flambage du pipeline enterré sont évalués sur la base de la méthode d'analyse théorique. Les essais sur le terrain et le modèle de calcul numérique sur des tubes en acier X42 (L290) pleine grandeur ont été conçus et réalisés sous des charges explosives de surface. Pendant ce temps, les paramètres pertinents du modèle numérique ont été bien vérifiés en comparant les données de terrain avec les données de simulation numérique. Dans le même temps, combinée à la théorie des poutres de Timoshenko tenant compte de l'effet de cisaillement et de la théorie du rapport flexible de la rigidité de la fondation à la rigidité du pipeline, l'équation de prédiction du déplacement vertical du pipeline est modifiée. Plus important encore, les essais sur le terrain ont été généralement bien reproduits, ce qui a également permis d'étudier plus avant les dommages en flexion des canalisations enterrées sous l'action du souffle au sol. Enfin, les effets de la profondeur d'enfouissement et du niveau explosif sur différentes caractéristiques dynamiques du pipeline sont discutés en conjonction avec l'approche des moindres carrés, et le déplacement vertical maximal du pipeline est bien prédit, et les résultats de l'analyse théorique reflètent bien les phénomènes clés.

Lorsque l'explosif explose, l'onde de contrainte de souffle se situe le long de la surface libre de la direction d'impact à propagation rapide autour du corps rocheux. Lorsque l'onde de choc atteint l'interface entre l'air et la roche, la force externe agissant sur l'interface de la roche est la pression d'impact initiale. De nombreuses équations de pression d'impact28,29,30 pour les explosifs ont été introduites et la pression d'impact initiale peut être utilisée pour exprimer la pression de l'onde de contrainte de souffle, comme le montre l'équation. (1):

où P0 est le rôle de la pression d'explosion, ρ0 est la densité de l'explosion, D est la vitesse de l'explosion, β est l'indice de dilatation adiabatique des produits de l'explosion, est pris égal à 3,0. Lorsque l'explosif de surface explose, l'onde de choc et l'onde de contrainte produisent une zone de fragmentation, une zone de fracture et une zone élastique autour du centre de l'explosif. Les valeurs des ondes de choc et de stress diminuent à mesure que le temps de souffle augmente. Les courbes des ondes de choc et de contrainte avec le temps de souffle se présentent sous la forme d'une fonction exponentielle. Le coefficient d'atténuation est comme indiqué dans les équations. (2)–(3).

où μs est le coefficient de Poisson du sol. L'onde de contrainte atteint le bord extérieur de la zone de fracture puis pénètre dans la zone élastique. Dans la zone élastique, l'action des ondes de contrainte ne produit que des vibrations élastiques, la pression d'explosion comme indiqué dans l'équation. (4):

où Pe est la pression d'explosion à la limite de la zone élastique, rb est le rayon du colis ; rc et rf sont respectivement le rayon de la zone de fracture et le rayon de la zone élastique, le rayon de la zone de fracture causée par les explosifs conventionnels rc est de 3 à 5 fois le rayon du colis, le rayon de la zone élastique rf est de 10 à 15 fois le rayon du colis31, dans cet article, rc = 3rb, rf = 11rb.

En supposant que l'onde de contrainte se propage jusqu'au pic de pression d'explosion au point G de la canalisation est PG :

En raison de la symétrie de la conduite avec la charge de souffle, seule la moitié de la charge agissant sur la conduite est prise en compte. En ignorant également la composante de charge axiale du tuyau (direction Z sur la Fig. 1), la charge de souffle q(x) agissant sur le tuyau peut être exprimée par l'équation. (7):

Diagramme schématique des forces sur le tuyau.

Comme mentionné ci-dessus, nous avons principalement discuté des caractéristiques de propagation des ondes de stress de souffle dans le sol. Lorsque la surface d'un tuyau est soumise à une onde de choc transversale, la déformation du tuyau appartient au problème de flexion dynamique du tuyau, qui peut être décrit par le traitement des vibrations ou par le traitement des fluctuations, où les fluctuations sont appelées ondes de flexion. Pendant ce temps, les ondes de flexion sont la conséquence du couplage conjoint de perturbations de moment de flexion interdépendantes et de perturbations de cisaillement, dans lesquelles l'effet de cisaillement est déjà inclus. Contrairement au rôle du cisaillement dans la réponse quasi-statique d'un tuyau, l'étude de la réponse dynamique d'un tuyau soumis à des charges d'impact transversales joue un rôle plus important en raison de l'inclusion du cisaillement d'inertie transversale dans l'ensemble des équations de contrôle. L'explosion de la surface supérieure du sol provoque une concentration de contraintes, qui à son tour provoque une flexion et une déformation de la conduite en dessous. Pour simplifier les calculs, les hypothèses suivantes sont faites dans le modèle de calcul de cet article : (1) la conduite est supposée être une poutre Timoshenko avec des effets de cisaillement ; (2) l'interaction tuyau-sol est considérée à travers le modèle de fondation de Winkler ; (3) le fluage du sol meuble et la consolidation du drainage ne sont pas pris en compte. Le modèle de calcul a été résolu à l'aide de la méthode d'analyse en deux étapes couramment utilisée32,33,34. Tout d'abord, la charge répartie supplémentaire sur le tuyau causée par le dynamitage explosif de surface est calculée par l'équation de la mécanique des ondes de contrainte de souffle ; deuxièmement, la méthode des différences finies est utilisée pour établir la solution analytique de la déformation longitudinale du tuyau sous la charge répartie supplémentaire. La figure 3 montre le modèle de calcul de l'effet du souffle de surface sur un tuyau sous-jacent. Le souffle explosif de surface entraîne une concentration de contraintes dans le sol existant, ce qui entraîne l'application d'une charge répartie verticale supplémentaire q(x) à la conduite, comme illustré à la Fig. 2. La charge répartie supplémentaire q(x) est obtenue en résolvant la section "Méthode de calcul du modèle théorique pour la pression d'impact initiale".

Modèle de calcul de l'impact sur le pipeline.

Sous la charge supplémentaire q(x), l'équation différentielle d'équilibre pour la poutre Timoshenko sur les fondations Winkler concernant le déplacement vertical w(x) et l'angle de rotation θ peut être obtenue comme indiqué dans l'équation. (8).

où : EIeq est la rigidité longitudinale équivalente en flexion du tube, (κ′GA)eq est la rigidité équivalente en cisaillement du tube, Dt est le diamètre du tube, k est le coefficient de réaction de la fondation et q(x) est la charge supplémentaire causée par l'explosion en surface.

Où t est l'épaisseur de paroi du tuyau :

Pour les ressorts de sol à appui vertical, sur la base des travaux de l'Agence fédérale de gestion des urgences (FEMA) et de l'American Society of Civil Engineers (ASCE)35, la capacité portante verticale maximale du sol vers le haut Qd peut être obtenue.

où : Nc, Nq, Nγ sont les facteurs de capacité portante, γ est le poids unitaire total du sol, γ′ est le poids unitaire effectif du sol, ∆qd est le déplacement vertical pour développer Qd, c est la cohésion du sol, Dt est le diamètre du tuyau, H est la profondeur de couverture jusqu'à l'axe du tuyau.

où ∆qd est le déplacement à Qd, ∆qd = 0,2D.

Découplage Eq. (8), nous pouvons obtenir les équations différentielles pour le déplacement vertical w(x) et l'angle de rotation θ, respectivement.

La déformation longitudinale de la conduite existante sous la charge supplémentaire q(x) causée par le tir de l'explosif en surface peut être obtenue en résolvant l'Eq. (11a). Comme éq. (11a) est une équation différentielle ordinaire du quatrième ordre, il est difficile de la résoudre mathématiquement. Pour simplifier le calcul, la méthode des différences finies est utilisée pour résoudre l'équation. La figure 3 montre le schéma discret du tuyau. La conduite est discrétisée en n + 5 unités nodales (dont 2 unités nodales fictives aux extrémités de la conduite), chacune d'une longueur de l (0,2 m). Selon le principe de différence finie standard, la forme de différence finie des termes différentiels de l'équation. (11a) est la suivante.

où : wi est le déplacement vertical de l'unité nodale i, et qi est la charge supplémentaire à l'unité nodale i. Substitution d'éqs. (12a)–(12c) dans l'équation. (11a), l'expression de différence finie pour la poutre de Timoshenko sur les fondations de Winkler est obtenue comme suit dans l'équation. (13).

Schéma discret du tuyau.

En supposant que le tuyau est libre aux deux extrémités, le moment fléchissant M et l'effort tranchant Q aux deux extrémités du tuyau sont 0.

L'équation (15) peut être obtenue à partir de l'équation. (8b).

En prenant une dérivée des équations. (8a), (16) et (17) peuvent être obtenus.

Combiner les éq. (15)–(17), (14b) peuvent être écrits comme Eq. (18).

En prenant la forme différentielle de l'Eq. (18), l'expression différentielle de la force de cisaillement Q à chaque extrémité du tuyau peut être obtenue comme indiqué dans l'équation. (19).

L'équation (20) peut être obtenue à partir de l'équation. (8a).

Après avoir remplacé l'Eq. (20) en éq. (17), on peut obtenir l'Eq. (21).

L'équation (22) est obtenue à partir des équations. (21a)–(21b).

Substitution d'éqs. (22a)–(22b) dans les Éqs. (19a)–(19b), on peut obtenir l'Eq. (23).

L'équation (13) peut être écrite sous forme matricielle comme indiqué dans l'équation. (24).

où : [K1] est la matrice de rigidité de déplacement du tuyau, [K2] est la matrice de rigidité de cisaillement du tuyau, [K3] est la matrice de rigidité en flexion du tuyau, {w} est le vecteur colonne de déplacement vertical du tuyau, Q1 est le vecteur colonne de charge supplémentaire du tuyau, Q2 est le vecteur colonne de correction de charge du tuyau et Q3 est le vecteur supplémentaire du tuyau pour la solution.

Les essais sur le terrain à grande échelle ont été effectués sur le site d'essai sur le terrain où les explosifs ont été placés sur la surface du sol directement au-dessus du centre du tuyau, et le croquis de la configuration expérimentale est illustré à la Fig. Le schéma d'essais sur le terrain à grande échelle est illustré dans le tableau 1. La procédure d'essai sur le terrain est illustrée à la Fig. 5.

Schéma de principe des essais grandeur nature sur le terrain.

Procédure des essais sur le terrain.

La mécanique de l'explosion est un problème non linéaire, il est très difficile d'étudier l'endommagement par flambage des conduites enterrées soumises à des charges explosives de surface à l'aide de calculs analytiques. Par conséquent, la simulation numérique est plus appropriée pour résoudre ce problème36. Le diagramme schématique du modèle de calcul est illustré à la Fig. 6. Dans cet article, le diamètre intérieur du tuyau en acier est de 1000 mm avec une épaisseur de paroi de 10 mm, ce qui correspond à la taille typique d'un pipeline de transport de pétrole et de gaz. Le type de tuyau en acier est X42 (L290), ce qui signifie que sa limite d'élasticité est de 290 MPa37. Pendant ce temps, la profondeur d'enfouissement du tuyau est la même que celle du test sur le terrain, et la charge de souffle de l'émulsion de roche n ° 2 est utilisée pour simuler l'explosion au sol. Les dimensions de l'ensemble du modèle informatique sont de 10 m × 4,8 m × 6,0 m dans les directions X, Y et Z, respectivement.

Diagramme schématique du modèle de calcul.

Dans cet article, le comportement des matériaux est modélisé à l'aide de divers modèles de matériaux non linéaires et d'équations d'état. Ces modèles de matériaux et équations d'état sont brièvement décrits ci-dessous. Avant la détonation de l'explosion, le modèle de matériau de l'explosif à émulsion de roche n° 2 peut être décrit comme HIGH_EXPLOSIVE_BURN. Après l'explosion, l'explosif à émulsion de roche n° 2 présente des propriétés gazeuses et il est modélisé à l'aide de l'équation d'état JWL, qui décrit la pression résultant de l'expansion des produits chimiques explosifs de l'explosion. Il peut être écrit comme indiqué dans Eq. (25) ci-dessous38.

où p est la pression de l'explosif, E1 est l'énergie interne par unité de volume d'explosif et V1 est le volume relatif de l'explosif. Les valeurs des constantes pour de nombreux explosifs courants, tels que A, B, R1, R2 et ω, sont déterminées par des expériences dynamiques. Les valeurs utilisées pour les paramètres de l'état explosif et l'équation JWL sont répertoriées dans le tableau 2.

Le comportement mécanique des sols et des roches est décrit par le modèle de matériau *MAT_PLASTICITY_POLYMER, les paramètres physiques du sol et de la roche sont présentés dans le tableau 3.

Les éléments solides sont appliqués sur les zones des explosifs, du sol, de la roche et du pipeline. L'interface entre le tuyau et les autres matériaux est simulée à l'aide d'un algorithme de couplage fluide-solide. À l'exception de la surface libre au sommet de la zone d'air, la couche infinie est simulée en utilisant des conditions aux limites non réfléchissantes pour éviter les résultats de perturbation des ondes réfléchissantes.

Comme le montre le tableau 1, les différents poids des explosifs à émulsion de roche n ° 2 ont été placés sur la surface du sol directement au-dessus du tuyau, et la VPP du tuyau et de la surface du sol a été comptée et comparée aux résultats de simulation numérique ci-dessus, comme illustré à la Fig. En effet, l'influence des joints de sol sur la propagation des ondes n'est pas prise en compte dans la simulation numérique, et la réfraction et la réflexion des joints d'onde dans le sol augmentent l'amplitude des ondes à la surface du pipeline. Dans le même temps, il est facile de voir à partir de la forme d'onde du modèle que la tendance de variation entre les deux courbes est cohérente, indiquant que les paramètres du modèle numérique sont conformes à la pratique d'ingénierie réelle. De plus, en examinant de plus près la figure 7c, il n'est pas difficile de constater que l'erreur entre les résultats de la simulation numérique et les résultats des tests sur le terrain diminue à mesure que le poids de l'explosif augmente. En effet, avec l'augmentation du poids des explosifs, l'amplitude de vitesse de l'onde de vibration de dynamitage devient de plus en plus grande et l'erreur de vitesse sur le pipeline causée par la réflexion de l'onde devient de plus en plus petite. Par conséquent, les paramètres du modèle numérique sont disponibles pour étudier l'effet de flambement de la conduite sous la charge d'explosion de surface, tandis que les résultats de la simulation numérique sont plus précis et fiables lorsque le poids de l'explosif est plus important.

Comparaison des données mesurées sur le terrain et de la simulation numérique : (a) résultats des essais sur le terrain de D1, (b) résultats de la simulation numérique de D1, (c) PPV du sol et de la conduite, (d) comparaison des résultats de l'essai sur le terrain et de la simulation numérique avec une solution théorique.

Cependant, sur la base du déplacement vertical maximal du tuyau sur la Fig. 7d, on peut voir que les résultats de la simulation numérique sont très proches des résultats des tests sur le terrain, alors qu'au contraire, la différence entre les résultats théoriques et les deux autres courbes est étonnamment grande. En effet, un certain paramètre du modèle théorique entraîne une contrainte importante sur le pipeline, entraînant un déplacement important du pipeline. Après comparaison avec les données de terrain, il n'est pas difficile de constater qu'un tel résultat n'est pas précis, de sorte que la force agissant sur le pipeline doit être analysée et résolue plus en détail. Par conséquent, le processus de solution théorique doit être encore modifié avant de pouvoir répondre au besoin d'ajuster l'équation de prédiction de sécurité du pipeline concernant le poids des explosifs dans le projet réel.

La rigidité relative du tuyau par rapport à son milieu intégré affecte la concentration de contraintes dans la structure retenue. À toutes fins pratiques, une structure retenue doit être considérée comme entièrement flexible lorsque le rapport de la flexibilité du tuyau à la flexibilité du sol est supérieur à 1039, ce qui est appelé la théorie du rapport flexible de la rigidité de la fondation à la rigidité du tuyau. Pour les pipelines, le rapport de flexibilité J de la rigidité de la fondation à la rigidité du tuyau est défini par l'équation. (26):

où Es et E sont le module d'Young du sol et du tuyau, μs et μL sont respectivement le coefficient de Poisson du sol et du tuyau, r est le rayon du tuyau et I est l'inertie de rotation du tuyau.

En combinant l'éq. (26) on peut obtenir l'Eq. (27):

Rigas et Sebos40 montrent que le tuyau en acier doit être considéré comme entièrement flexible par rapport au sol, car le rapport de flexibilité entre la rigidité du sol et celle du tuyau est plus de 100 fois supérieur. Les déformations et les contraintes les plus défavorables dues aux explosions de tuyaux se produisent dans des déformations de flexion et de traction parallèles à l'axe du tuyau et perpendiculaires aux contraintes circonférentielles. Ceux-ci peuvent être calculés par l'équation suivante. (28)39 :

où V0 est la vitesse maximale des particules, ε est la déformation, b est la direction de flexion, S est la direction d'étirement, C est la direction circonférentielle, Cs et Cl sont les vitesses de propagation des ondes de cisaillement et de compression, et Fv est la fréquence des ondes.

En utilisant l'équation biaxiale41, les contraintes circonférentielles et axiales (longitudinales) peuvent être calculées à partir des déformations comme suit.

En utilisant l'éq. (29b), nous pouvons obtenir les contraintes sur le tuyau à partir de la charge de souffle de surface, qui consiste principalement en contraintes axiales et circonférentielles. Parmi celles-ci, ce sont les contraintes circonférentielles qui devraient s'appliquer à la théorie de Timoshenko, donc le Sc calculé dans l'Eq. (29b) est substitué à q(x) et sa valeur est introduite dans les équations. (21)–(24), ce qui permet de résoudre de cette manière la valeur de la déformation longitudinale de la conduite existante sous le chargement de surface par souffle, comme le montre la Fig. 8. Comme on peut le voir sur la Fig. 8, la solution théorique modifiée est proche des résultats des essais sur le terrain et des résultats de la simulation numérique, et la tendance des trois courbes est la même. Dans le même temps, on peut voir sur la Fig. 8 que le déplacement maximal du tuyau dans le résultat de la simulation numérique est similaire à celui du résultat du test sur le terrain, et avec l'augmentation du poids de l'explosif, le déplacement du tuyau a peu de différence et fluctue dans une petite plage, tandis que la solution théorique est inférieure aux résultats du test sur le terrain, principalement parce que le calcul de l'équation théorique ignore les problèmes qui peuvent survenir lors de la propagation des ondes. De plus, ce problème est principalement lié à la dissipation secondaire de l'énergie des ondes causée par la réflexion et la réfraction. Mais dans tous les cas, l'erreur globale entre les trois est faible et l'erreur maximale ne dépasse pas 12,9 %. Cependant, en comparant la Fig. 7d, on peut voir qu'elle est considérablement améliorée et que son erreur maximale est inférieure à 15 %, de sorte que la solution théorique modifiée peut être utilisée pour la solution du modèle de critère de sécurité du pipeline sous des charges explosives de surface.

Comparaison des résultats de la solution théorique modifiée et des essais sur le terrain et de la simulation numérique.

La sécurité des conduites souterraines est influencée par de nombreux paramètres, et les critères de dommages concernant les conduites peuvent être divisés en dommages de rendement de force et dommages de déformation40,42,43,44,45. Dans cet article, le critère d'endommagement du rapport déviation sur portée est utilisé pour évaluer l'étendue des dommages causés au pipeline par le chargement explosif de surface, comme indiqué dans le tableau 4.

Grâce au modèle de calcul théorique validé, le modèle de critère de sécurité du pipeline sous différentes charges explosives de surface a été dérivé, tandis que le changement de déplacement vertical maximal du pipeline sous des charges explosives de surface dans différentes conditions de travail a été étudié, comme le montre la Fig. 9. En attendant, il est facile de remarquer que les principaux changements de la Fig. 9 sont le poids de l'explosif au-dessus du tuyau et la profondeur d'enfouissement du tuyau. De plus, après avoir ajusté la courbe où se trouve la Fig. 9b, la formule de prédiction de la valeur critique du poids de l'explosif pour éviter les dommages au pipeline sous différentes profondeurs d'enfouissement est obtenue comme indiqué dans l'Eq. (30). De plus, il n'est pas difficile de constater à travers la Fig. 9a que lorsque la profondeur d'enfouissement de la conduite est supérieure ou égale à 3 m, le déplacement vertical maximal de la conduite varie légèrement, et le déplacement de la conduite diminue linéairement avec une faible pente à mesure que le poids de l'explosif augmente. Cependant, à mesure que la profondeur d'enfouissement du tuyau diminue, le déplacement vertical maximal du tuyau augmente progressivement. De plus, lorsque la profondeur d'enfouissement de la conduite est inférieure ou égale à 2 m, le déplacement vertical maximal de la conduite augmente avec l'augmentation de la masse maximale de l'explosif, et la forme de la fonction de la courbe d'emmanchement est la fonction exponentielle. Cela est dû à l'effet tampon du sol sur les ondes sismiques de dynamitage générées par les explosifs de surface, et au fait que les sols plus épais contiennent plus de joints et de fissures, qui ont un effet absorbant sur les ondes sismiques de dynamitage. De plus, à mesure que la profondeur du sol augmente, l'onde sismique de dynamitage est constamment réfractée et réfléchie et diminue progressivement, entraînant ainsi un déplacement maximal vertical plus important de la conduite lorsque la profondeur d'enfouissement est plus grande. De plus, le poids critique des explosifs pour éviter d'endommager le pipeline augmente de façon exponentielle avec l'augmentation de la profondeur d'enfouissement du pipeline. Pendant ce temps, il est également intéressant de noter que lorsque la profondeur d'enfouissement est inférieure ou égale à 2 m, le poids critique de l'explosif ne change pas beaucoup, mais à mesure que la profondeur d'enfouissement augmente, le poids critique de l'explosif augmente de façon exponentielle.

Modification du déplacement vertical maximal du pipeline sous des charges explosives de surface dans différentes conditions de travail.

L'étude théorique de la déformation des pipelines par les charges de souffle de surface a été un sujet de recherche brûlant au pays et à l'étranger. Dans cet article, combinant la théorie des poutres de Timoshenko et la théorie du rapport élastique de la rigidité de la fondation à la rigidité du pipeline, le modèle théorique modifié en ligne avec la situation réelle sur le terrain est obtenu, et les lois de déformation et les consignes de sécurité de différents types de pipelines sous l'action des charges de souffle de surface sont étudiées selon ce modèle théorique.

Le modèle de calcul du déplacement du tuyau sans tenir compte de la théorie du rapport flexible de la rigidité de la fondation sur la rigidité du tuyau est loin des résultats de la simulation numérique et des résultats des essais sur le terrain, tandis que lors de l'application des contraintes théoriques dans la poutre Timoshenko, la contrainte d'origine a été remplacée par une contrainte circonférentielle, la solution théorique modifiée est proche des résultats des essais sur le terrain et des résultats de la simulation numérique. Pendant ce temps, le modèle de calcul théorique validé a abouti à un modèle des critères de sécurité du pipeline pour différentes charges explosives de surface, tandis que le déplacement vertical maximal du pipeline a augmenté de façon exponentielle avec le poids de l'explosif à différentes profondeurs d'enfouissement. Plus important encore, lorsque la profondeur d'enfouissement est supérieure à 2 m, le changement de poids critique de l'explosif varie considérablement avec l'augmentation de la profondeur d'enfouissement, il est donc recommandé que, pour une meilleure protection contre les dommages causés par les charges de souffle de surface, la profondeur d'enfouissement recommandée du pipeline soit d'au moins 2 m.

Le modèle proposé dans cet article ne considère que l'impact de la charge d'explosion au-dessus de la surface verticale du pipeline sur le déplacement du pipeline, mais ne considère pas l'impact des explosifs enfouis dans le sol ou des différentes distances horizontales sur la formule de prédiction du déplacement du pipeline. De plus, il fournit une base théorique pour la protection des charges de souffle souterraines des pipelines et fournit des idées de recherche pour la protection et la conception sûres des pipelines.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Cette recherche a été financée par la National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 41807265, 41972286 et 42072309) et la Hubei Key Laboratory of Blasting Engineering Foundation (Grant Nos. HKLBEF202001, HKLBEF202002).

Faculté d'ingénierie, Université chinoise des géosciences (Wuhan), Wuhan, 430074, Hubei, Chine

Tingyao Wu, Nan Jiang, Chuanbo Zhou et Xuedong Luo

CCCC Second Highway Consultants Co., Ltd., Wuhan, 430056, Hubei, Chine

Hongan Yu

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Les principaux objectifs de recherche ont été développés par TW et NJ, HY, CZ et XL ont analysé les résultats calculés du test fié. CZ et TW ont analysé les résultats calculés des résultats théoriques. Le projet initial du manuscrit a été rédigé par TW et NJ

Correspondance à Nan Jiang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Wu, T., Yu, H., Jiang, N. et al. Analyse théorique de la déformation des conduites de gaz en acier en tenant compte des effets de cisaillement sous les charges d'explosion de surface. Sci Rep 12, 8658 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12698-0

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Reçu : 05 février 2022

Accepté : 06 mai 2022

Publié: 23 mai 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-12698-0

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