1. 引言
近些年国内对水下天然气管道爆裂故的研究主要集中于泄漏天然气在水中迅速发生迁移扩散，气体到达水面后存在着火灾和爆炸等危险的分析 [1] 和气体泄漏产生的冲击波在水中的扩散规律的研究 [2]。为保障天然气运输的持续性和安全性，天然气水下穿越管道实际建设和运行中基本都采用双管道，其中一条为主管道，另一条为备用管道，如果主管道发生事故时，可以紧急切断气源后启用备用管道，在这种情况下研究主管道发生爆裂事故对备用管道产生的影响就尤为重要了，但是目前国内在这方面的研究资料很少，本文描述了利用ANSYS/LS-DYNA软件系统对管道爆裂事故进行物理数值模拟的过程。通过对水环境中压缩波扩散过程的数值模拟，确定了从泄漏点气体流动达到准静止流动状态前的气泡运动参数和天然气管道的运动学特性，基于试验结果分析了下天然气管道爆裂事故对相邻管道的力学影响程度。
2. 双线水下管道数值建模
LS-DYNA为通用型的有限元软件，可同时进行Implicit及Explicit的分析，故适合仿真线性、非线性、静态、动态、接触力学、耦合等等的真实结构行为。目前全球工业界广泛地应用于：航空航天、汽车工业、国防工业、电子产品结构分析、生物医学、土木建筑结构、钣金成型、与其它制造业。
为了研究水下主管道爆裂对事故现场附近物体的力学影响水平，本文对管道爆裂事故进行了数值模拟 [3]，基于ANSYS/LS-DYNA软件系统开发出了管道和周围环境模型。
水下穿越模拟采用了双线管道的形式，其中一条为运行管道，另一条为备用管道，管道之间的间距为2 m，管道内径为1 m，材质为低合金钢16 Mn，壁厚20 mm。管道外部用厚为100 mm的混凝土保护层与外界隔绝，管道位于25 m深处，管道内天然气压力为7.5 MPa。
3. 爆裂事故模拟分析
对管道的破坏过程采用了两种方式进行模拟：1) 管道瞬间爆裂，裂痕长度20 m；2) 爆裂事故发生后裂纹以150 m/s的速度扩展并达到相似裂痕长度。在考虑了管道混凝土保护层的影响下，利用管道钢材弹塑性变形模型对裂缝的展开过程进行了计算 [4]。
在图1的例子中展示了在事故最初的0.05 s时裂纹以有限的速度扩展时，管道的应力强度(a)和塑性应变(b)状态。
计算结果显示，在初始时刻，气泡开始膨胀(见图2)，其中的压力随着时间不断降低。气泡的形状和大小很大程度上取决于管道爆裂的类型。下文中提到的计算网格的原点位于管道事故中心和网格对称平面的交叉处 [5]。在裂痕位于管道的两侧、上部和下部等各种情况时，计算了管道爆裂对相邻管道的影响和事故产生联级效应的可能性。
(a) 
(b)
Figure 1. Sea pipeline stress intensity (a) and structural yielding (b) at 0.05 sec
图1. 爆裂事故最初0.05秒时管道应力强度(a)和塑性应变(b)示意图
(a) 
(b)
Figure 2. Pipe rupture gas flowfield based on calculations using models of sudden burst pipe of 20 m (a) and crack enlargement with an average speed of 150 m/s at 0.02 sec (b)
图2. 管道瞬间爆裂20 m泄漏气体截面(a)和裂痕以150 m/s速度扩展0.02 s时泄漏气体截面(b)
图3中展示了不同时刻的气流物理图形和压力场的变化情况。作为例子，对第二条管道沿侧面爆裂，裂纹并以150 m/s的速度扩展为模型进行了计算。可以看出，初始阶段气泡迅速膨胀，并且在接近0.07 s时候，其中的压力几乎下降到管道附近的水压大小。
Figure 3. Pressure pattern of crack enlargement at 0.02, 0.04 and 0.06 sec
图3. 在0.02，0.04和0.06秒时裂纹扩展模型中的压力场图
图4~7展示了在管道爆裂处沿着X轴和Y轴(分别为管道横截面的水平向和垂直向)的管道横截面上方空间点的压力变化曲线。从曲线中可以看出，爆裂事故发生后，随着压缩波在水中的不断扩散，压缩波中的最大压力从爆裂处开始迅速消退。
考虑到气泡的驱使作用，对事故管道朝相邻管道的最大移动速度进行了计算。图8作为例子展示了管道侧面瞬间爆裂(A)和平缓爆裂(B)事故发生在0.06秒时的速度场情况。
4. 结语
通过对水环境中压缩波扩散的数值模拟确定了爆裂事故开始到爆裂点泄漏气体流动达到准静止流动状态过程中气泡的运动参数和天然气管道的运动学特性。
A：X = 2.3米；B：X = 1.3米；C：X = −1.6米；D：X = −2.8米；E：X = −4.1米：F：X = −5.5米。
Figure 4. Water pressure dependence for matching points position on the X axis in the horizontal plane (Y = 0) used in modelling crack enlargement at the speed of 150 m/sec
图4. 模拟裂纹扩展速度为150米/秒时水环境中沿X轴方向(Y = 0)压力变化曲线
A：Y = 0.9米；B：Y = 1.8米；C：Y = 2.6米；D：Y = 3.4米。
Figure 5. Water pressure dependence for matching points position on the Y axis in the horizontal plane (X = 0) used in modelling crack enlargement at the speed of 150 m/sec
图5. 模拟裂纹扩展速度为150米/秒时水环境中沿Y轴方向(X = 0)压力变化曲线
A：X = 2.3米；B：X = 1.3米；C：X = −1.6米；D：X = −2.8米；E：X = −4.1米：F：X = −5.5米。
Figure 6. Water pressure variation curve for matching points position on the X axis in the horizontal plane (Y = 0) at sudden burst pipe
图6. 模拟管道瞬间爆裂时水中沿X轴方向(Y = 0)压力变化曲线
A：Y = 0.9米；B：Y = 1.8米；C：Y = 2.6米；D：X = 3.4米。
Figure 7. Water pressure variation curve for matching points position on the Y axis in the horizontal plane (X = 0) at sudden burst pipe
图7. 模拟管道瞬间爆裂时水中沿Y轴方向(X = 0)压力变化曲线
(A)
(B)
Figure 8. Velocity field of pipelines at time of 0.06 sec from rupture initiation for models of sudden burst pipe (A) and smooth burst pipe (B)
图8. 管道瞬间爆裂模型(A)和平缓爆裂模型(B)爆裂事故开始0.06秒时的速度场
可以确定的是，由于管道爆裂点形成在水中扩散的压缩波和气泡的膨胀的影响，事故发生0.07秒后相邻管道距离爆裂点最近的截面受到冲击速度达到峰值(4米/秒左右)。气泡边界的运动速度可达到最大50米/秒，之后随时间推移减慢。在这种情况下，膨胀气泡的反作用力不会导致管道之间的汇集和碰撞。
对相邻管道造成的最大压力为3.5 Mpa，压力分布呈非撞击性平稳增长。在最初设定的条件下，爆裂事故点5米以外区域的压力波振幅不超过1 Mpa。在爆裂事故影响下，相邻管道的最大应力和应变不超过塑性变形的初始水平。