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        厚壁圓球的蠕變計(jì)算

        2016-11-05 02:11:23齊亮亮
        山西建筑 2016年8期
        關(guān)鍵詞:鹽巖圓球厚壁

        齊亮亮 周 元

        (1.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210007;2.南京林業(yè)大學(xué)室內(nèi)設(shè)計(jì)研究工作室,江蘇 南京 210037)

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        厚壁圓球的蠕變計(jì)算

        齊亮亮1周元2

        (1.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210007;2.南京林業(yè)大學(xué)室內(nèi)設(shè)計(jì)研究工作室,江蘇 南京210037)

        采用一系列理論推導(dǎo)的方法,對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)鹽巖蠕變特性進(jìn)行了一般推導(dǎo),并得到了相關(guān)公式,為鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)在運(yùn)營(yíng)期間的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究提供了思路。

        厚壁圓球,拉式變換,流變方程

        0 引言

        厚壁圓球是工程實(shí)踐中的一種重要模型,特別是在地下儲(chǔ)氣庫(kù)、儲(chǔ)油庫(kù)等地下存儲(chǔ)空間上作為一種特殊的計(jì)算模型。儲(chǔ)氣庫(kù)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中要經(jīng)歷反復(fù)加載、卸載的過(guò)程,使其在受力分析上變得十分復(fù)雜,當(dāng)前仍然不能很好的計(jì)算其方程。自從1963年加拿大利用一個(gè)廢棄的地下鹽礦修建成了世界上第一個(gè)天然氣儲(chǔ)存庫(kù)[1]時(shí)起, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的力學(xué)特性和技術(shù)進(jìn)行了專項(xiàng)研究,取得了一些成果,馬成松等將地下儲(chǔ)氣庫(kù)層位、分布特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的進(jìn)展評(píng)述[2]并對(duì)力學(xué)模型[3]進(jìn)行了討論。趙新偉、李麗鋒等[4]提出了儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、含缺陷套管完整性評(píng)價(jià)以及注采氣管的疲勞壽命和沖蝕壽命預(yù)測(cè)方法。楊石剛、方秦等[5]從理論、試驗(yàn)和數(shù)值模擬3個(gè)方面,對(duì)可燃?xì)怏w火災(zāi)熱輻射和蒸氣云爆炸超壓的后果評(píng)價(jià)模型研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié),為鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)的安全防護(hù)研究提供思路。另外,也對(duì)厚壁圓球地下儲(chǔ)氣庫(kù)的各種不同性質(zhì)巖樣材料進(jìn)行了疲勞弱化研究[6-10],選定了適合的儲(chǔ)氣庫(kù)材料。特別是近十年來(lái),以中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所為首的“973”項(xiàng)目課題組在儲(chǔ)氣庫(kù)蠕變特性[11,12]和鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性[13-15]方面取得了豐碩的研究成果。

        1 條件分析

        厚壁圓球的內(nèi)徑為a,外徑為b,材料為理想彈塑性,在內(nèi)壓P1與外壓P2的作用下,隨著壓力的不斷增加,圓球最終會(huì)進(jìn)入塑性極限狀態(tài)。

        在r,θ,φ坐標(biāo)系中,考慮到球?qū)ΨQ性,σθ=σφ,εθ=εφ位移分量中僅有徑向位移u,并且所有分量?jī)H是r的函數(shù)。

        平衡方程為:

        (1)

        其中,fr為徑向體力。

        幾何方程為:

        (2)

        本構(gòu)方程為:

        (3)

        (4)

        上式為歐拉型二階線性齊次微分方程,具體求解過(guò)程可見出版圖書[16],得到最終位移分量彈性解為:

        (5)

        2 拉式變換

        考慮其長(zhǎng)期蠕變因數(shù),引入單位階躍函數(shù)H(t),故式(5)亦可寫為:

        對(duì)其進(jìn)行拉式變換:

        (6)

        這里用畸變?nèi)渥內(nèi)岫菾1(t)和體變?nèi)渥內(nèi)岫菾2(t)替代彈性常數(shù),相應(yīng)的象函數(shù)變換如下:

        (7)

        (8)

        將式(7),式(8)代入式(6)得到:

        根據(jù)拉式變換逆變換:

        考慮到工程實(shí)際應(yīng)用,時(shí)間t≥0,所以始終保持單位階躍函數(shù)H(t)=1,故其流變方程亦可寫成下式:

        (9)

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文僅僅采用理論推導(dǎo)的方法對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)鹽巖蠕變特性進(jìn)行了一般推導(dǎo),得出了相關(guān)理論公式,對(duì)鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)在運(yùn)營(yíng)期間的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究有一定局限性的指導(dǎo)意義,后續(xù)還將繼續(xù)通過(guò)數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)一步驗(yàn)證,更進(jìn)一步掌握鹽巖各種力學(xué)、變形特性和鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的長(zhǎng)期蠕變特性。

        [1]吳文,楊春和,侯正猛.鹽巖中能源(石油和天然氣)地下儲(chǔ)存力學(xué)問(wèn)題研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(S2):5561-5568.

        [2]馬成松. 地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)存空間的選擇[J]. 江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào),1996,15(3):119-121.

        [3]馬成松,周士華.地下儲(chǔ)氣庫(kù)力學(xué)分析[A].湖北省土木建筑學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)論文集(2000年—2001年卷)[C].

        [4]李麗鋒,趙新偉,羅金恒,等.鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)失效分析與預(yù)防措施[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2010,29(6):407-410.

        [5]楊石剛,方秦,張亞棟.鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏事故后果評(píng)價(jià)模型研究進(jìn)展[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2011(8):108-115.

        [6]葛修潤(rùn),盧應(yīng)發(fā).循環(huán)荷載作用下巖石疲勞破壞和不可逆變形問(wèn)題的探討[J].巖土工程學(xué)報(bào),1992,14(3):56-60.

        [7]Jianfeng Liu, Heping Xie, Zhengmeng Hou, et al. Damage evolution of rock salt under cyclic loading in unixial tests[J]. Acta Geotechnica, May 2013, Online.

        [8]LIANG Weiguo, ZHANG Chuanda, GAO Hongbo, et al. Experiments on mechanical properties of salt rocks under cyclic loading[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2012,4(1):54-61.

        [9]任松,白月明,姜德義,等.溫度對(duì)鹽巖疲勞特性影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(9):1839-1845.

        [10]謝紅強(qiáng),何江達(dá),徐進(jìn).巖石加卸載變形特性及力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2003,25(3):336-338.

        [11]陳峰,李銀平,楊春和,等.云應(yīng)鹽礦鹽巖蠕變特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(S1):3022-3027.

        [12]高小平,楊春和,吳文,等.鹽巖蠕變特性溫度效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(12):2054-2059.

        [13]尹雪英,楊春和,陳劍文.金壇鹽礦老腔儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2006,27(6):869-874.

        [14]陳衛(wèi)忠,伍國(guó)軍,戴永浩,等.廢棄鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(4):848-854.

        [15]陳鋒,楊春和,白世偉.鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)最佳采氣速率數(shù)值模擬研究[J].巖土力學(xué),2007,28(1):57-62.

        [16]徐秉業(yè),劉信聲.應(yīng)用彈塑性力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1993.

        Creeping computation of thick-wall ball

        Qi Liangliang1Zhou Yuan2

        (1.NationalLaboratoryofBlastingDisasterProtectingandReducing,CollegeofNationalDefense,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China; 2.OfficeofIndoorDesign&Research,NanjingUniversityofForestry,Nanjing210037,China)

        Applying a series of theoretical deducing methods, the paper carries out general deduction of salt rock creeping characteristics of underground gas-storage, and obtains relevant formulas, which has provided some concepts for studying long-term stability of salt rock underground gas-storage during the operation period.

        thick-wall ball, pulling-style transformation, rheological equation

        1009-6825(2016)08-0074-02

        2016-01-09

        齊亮亮(1992- ),男,在讀碩士;周元(1992- ),女,在讀碩士

        TU452

        A

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