표면 폭발 하중에 따른 전단 효과를 고려한 가스강관 변형의 이론적 분석

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8658(2022) 이 기사 인용

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지반 폭발 하중은 강철 및 가스 파이프라인의 안전한 작동에 매우 중요하며 파이프라인 안전 예측을 위한 전통적인 이론 공식에서 얻은 결과는 실제 측정된 데이터와 오류가 있습니다. 본 논문에서는 전단효과를 고려한 Timoshenko 빔 이론과 폭발 응력파 이론을 사용하여 실물 크기 현장 테스트와 이에 따른 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 동시에 기초 강성 및 파이프라인 강성 유연성 비율 이론과 결합하여 현장의 실제 조건에 따라 수정된 이론 모델을 얻습니다. 이를 통해 파이프라인 지하 폭발 하중의 변형 및 변위를 정확하게 계산할 수 있으며, 이론적 예측 결과의 오류를 줄입니다. 본 논문의 연구 결과의 혁신은 Timoshenko 빔의 이론적 응력이 원주 변형률로 대체될 수 있다는 것입니다. 반면, 수정된 이론적 해는 다양한 매설 깊이에서 파이프라인 손상을 방지하기 위해 폭발물의 임계 중량을 얻을 수 있습니다. 파이프라인의 지하 폭발 하중 보호를 위한 이론적 기초를 제공하고 파이프라인의 안전한 보호 및 설계를 위한 연구 아이디어를 제공합니다.

석유 및 가스 운송의 주요 방법인 다양한 직경의 매설 파이프라인은 에너지 운송 분야에서 큰 역할을 하며 구조적 안전성이 큰 관심사입니다1,2,3. 그러나 도시화가 더욱 증가하고 매설된 파이프라인의 밀도가 높아짐에 따라 파이프라인의 안전 및 보호가 점점 더 중요한 문제로 알려져 있습니다4,5,6. 또한 일부 군사 작전 및 민간 생산은 사용 중인 파이프라인에 대한 폭발성 손상 가능성을 증가시키는 경향이 있습니다7,8. 동시에 일부 지역에서는 석유 및 가스 파이프라인을 따라 여러 차례 폭발이 발생한 경우에도 테러 공격 가능성이 증가했습니다9. 한편, 면밀한 조사 결과, 최근에는 제3자 피해가 매설 파이프라인 고장의 주요 원인이며 심각한 사고를 초래하고 있는 것으로 밝혀졌습니다10. 따라서 폭파하중을 받는 파이프라인의 손상 특성을 연구하는 것이 중요합니다.

지난 수십 년 동안 폭발 하중을 받는 파이프라인에 대한 연구를 위해 지상 폭발 하중을 받는 매설 파이프라인에 대한 많은 실험적, 이론적 연구가 있었습니다. 예를 들어, Zhang et al.14은 수치 시뮬레이션을 사용하여 폭발물의 무게, 파이프에서 폭발물의 수평 거리, 파이프라인의 매설 깊이와 같은 파이프라인 안전에 대한 다양한 요인의 영향을 연구했습니다. Song et al.15은 현장 폭발 테스트를 위해 X70 파이프를 선택하고 파이프의 처짐 및 손상 수준을 기반으로 4가지 다른 파손 모드를 얻었습니다. (a) 모드 1은 중앙 영역에서 큰 탄성-소성 변형입니다. (b) 모드 2는 파이프의 외부 표면이 큰 소성 변형을 겪고 중앙 영역에서 얇아지는 것입니다. (c) 모드 3은 파이프의 외부 표면과 내부 표면 모두 중앙 영역에서 약간 찢어진 경우입니다. (d) 모드 4는 파이프의 앞부분과 뒷부분이 모두 완전히 찢어진 상태입니다. Mishra et al.16과 Zhang et al.17의 연구를 바탕으로 손상 모델에 따라 손상을 국부적 손상 기준과 전체 실패 기준으로 정규화하였다. 한편, 지중배관의 손상 정도를 평가하기 위해 처짐 대 경간비 손상기준을 사용하였으며, 배관의 손상은 (a) 경미한 손상; (b) 중간 정도의 피해; (c) 심각한 손상 및 (d) 붕괴. 주로 고체 금속 변형 부분에 초점을 맞춰 횡폭발 하중 하에서 금속 빔을 분석하기 위해 실험실 연구를 사용한 Bambach et al.18의 연구를 예로 들 수 있습니다. 실험실 연구 외에도 연구자들은 이론적 연구를 매우 선호하며 Abedi et al.19와 같은 일부 저자는 폭발파의 영향으로 빔 편향을 찾기 위해 이론적 분석 방법을 사용했습니다. 게다가 Olarewaju et al.20은 폭발 하중을 받는 매설 파이프라인의 정적 및 동적 반응에 대한 분석 및 수치 연구를 수행했습니다. 한편, 수치모사 및 실험을 통해 내부 폭발하중을 받는 파이프의 동적 파괴를 분석한 Mirzaei et al.21과 같은 단순 변형 연구 외에 파이프 파괴 특성을 조사한 연구도 있다.