摘要
随着当今社会经济的快速发展，对天然气的依赖度日益增加。为满足运输需求，输气管线逐渐向着大口径、长距离的方向发展。高钢级天然气管道在生产制造、安装建设以及服役运行等环节中，不可避免地会产生一些细小缺陷。这些缺陷在管道运行过程中极易萌生为轴向裂纹并发生扩展，进而导致天然气泄漏甚至发生爆炸。可见，天然气管道的结构安全与完整性评价具有十分重要的意义。而传统的经验公式很难对管道的动态断裂过程进行准确评价，因此本文在弹塑性断裂力学理论的基础上，基于内聚力模型对含轴向初始裂纹的天然气管道动态断裂进行了深入研究。 (1)充分调研了国内外关于天然气管道动态断裂的研究现状，并对断裂力学理论、内聚力模型以及管道断裂模式进行了简要介绍。此外，本文通过与全尺寸管道断裂试验结果对照分析，验证了内聚力模型用于管道动态断裂研究的可行性。 (2)基于内聚力模型，对X80管线钢在爆炸载荷作用下的动态断裂进行了数值模拟。依据裂纹扩展速度的变化，将开裂过程分为三个阶段:快速开裂、稳定扩展和减速止裂阶段。在快速开裂阶段中，管道轴向开裂占主导地位;在稳定扩展阶段中，管道横向扩张则更为显着。此外，发现裂纹扩展的距离和速度均与载荷正相关且存在上限。 (3)针对管道断裂试验中难以测得的关键参数，如动态裂纹尖端张开角(CTOA)、气体压力等进行了深入研究。结果表明，在裂纹扩展的演化过程中，动态CTOA逐渐减小，稳态值(CTOA)s与载荷正相关。驱动裂纹持续扩展需要消耗大量能量，同时管内高能气体沿裂纹逸出导致压力损失，从而实现管道自然止裂。 (4)基于内聚力模型及SPH-FEM耦合算法，建立埋地管道的动态断裂模型并进行模拟。不仅研究了管道上方爆腔的扩张演化过程，通过分析还发现管道表面土体的动力响应受管道振动的影响较大。针对管道在空气与土两种介质中的轴向开裂与横向扩张行为进行对比分析，结果表明，覆土会在一定程度上阻碍管道的动态断裂。并且还发现，裂纹扩展速度的峰值与稳态值均与管道埋深呈负相关。 本文通过建立合理可靠的动态断裂模型，深入研究了爆炸载荷下管道的动力响应及动态断裂的演化机理，为管道动态断裂行为的试验研究提供了必要的补充。同时，研究成果也可以为管道的完整性评价提供一定的理论参考与技术支持，确保国家能源运输通道长期健康稳定地运行。
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