就燃气管道的维护标准而言，“规则是用来打破的”这句俗语可能并不适用，而“规则注定要修正”则显得更为贴切。具体来讲，过大估计管道的压扁阻断作业位置和管件之间的距离，可能导致不必要的开挖。鉴于此，作为天然气配送公司的合作伙伴，OTD（Operations Technology Development 的简称）公司联手美国燃气技术研究院（Gas Technology Institute，简称 GTI）启动了一个相关项目，在这项研究中，研究人员利用仿真探究了进行简化且安全的管道维护时所需的标准距离。
压扁阻断：燃气管道维护的关键工序
压扁阻断是燃气管道维护和维修的一道工序。该技术利用挤压工具压紧管道，从而完全阻断燃气流动。为避免损坏管道，压扁阻断作业必须缓慢进行。
通用管道的压扁阻断工艺流程图（左下）及照片（右上）。
美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials，简称 ASTM）制定了燃气管的压扁阻断工艺标准。压扁阻断工具与最近的管件之间的距离须为管道直径的三倍或约为 30 厘米（12 英寸），取这两个数值中较大的值。
这一标准给管道维护行业带来了不便，因为绝大部分普通消费者使用的管道直径约为 6 厘米（2.375 英寸），所以管道直径的三倍长度一般是 18 厘米（7 英寸），但根据标准压扁阻断距离须取较大的值，也就是说挤压工具与管件必须相隔 30 厘米。这便导致了管道维护时需要挖掘进入干道和弯道，从而会造成维护工作成本高昂且效率低下。
正是 ASTM 制定的这一标准促使 OTD 公司赞助 GTI 的研究人员去探究一个问题：30 厘米的压扁阻断距离对于直径较小的管道来说是否必要？能否修正这一标准，允许较细的管道采用直径的三倍长度作为作业距离？
利用 COMSOL Multiphysics 分析管道的应力与应变
GTI 团队中的 Oren Lever 和 Ernest Lever 通过一个全参数化的聚乙烯（PE）管道瞬态模型来研究这个课题，此模型还配备有夹管器和连接件。他们使用 COMSOL Multiphysics 的“结构力学”和“非线性结构材料”模块定义了两组结构接触的数值和力学属性，这两组结构接触分别为：管道与管道间的内部接触，以及管道与夹管器间的外部接触。
研究人员借助仿真分析了压扁阻断作业各个阶段中管道发生的大变形，这些阶段包括：
- 管道增压
- 压扁阻断
- 保持
- 释放
- 松弛
压扁阻断的五个步骤的仿真。
完全压扁阻断时管道的总位移。
GTI 团队还对夹具压条下方的管道进行了网格剖分，以便分析这一处管道在完全压扁且阻断燃气时发生的大变形。借助 COMSOL 软件的网格剖分功能，可以便捷地将管道直径从常见的 6 厘米缩放为各种不同的长度。
实现定制的材料模型
上文中用于制造管道的聚乙烯材料具有独特的属性和性能，研究人员需要使用一个定制的粘弹-塑性本构模型才能描述其行为。为此，他们向COMSOL 认证咨询机构Veryst Engineering 公司寻求帮助，希望能将指定的材料模型导入他们的 COMSOL Multiphysics 仿真中。
Veryst 团队首先进行了实验材料测试，目的是校准通常用于描述聚乙烯（一种热塑性塑料）的材料模型。然后，他们将材料模型的参数拟合到聚乙烯材料的应力-应变响应中。最后，为了在仿真中使用定制的材料模型，他们采用了一组常微分方程（ODE）。
针对材料测试，GTI 选用了中密度聚乙烯（medium-density polyethylene，简称 MDPE）作为管道材料。他们针对不同的温度、应变率和应变，尤其是在高应变下（例如当管道完全压扁时），反复进行了拉伸和压缩测试。除此之外，他们还对指定材料进行了加载和卸载测试。
MDPE 材料的拉伸响应结果，来源于实验数据，以及由 Veryst Engineering 公司做出的定制材料模型。
研究人员随后使用了自己开发的优化工具 MCalibration，并通过不断调整，终于找出与实验数据匹配的真实材料参数值，从而确保定制材料模型能够完美地配合 GTI 的仿真。
结果分析与措施探讨
通过研究，GTI 发现对于直径较小（例如小于 9 厘米，即 3.5 英寸）的管道而言，在距离小于 30 厘米 的三倍管直径处进行压扁阻断作业时，造成的应变并未超过管道行业目前允许的应变极限。
此外，为了进一步验证结果，GTI 团队还进行了加速寿命试验。他们发现如果采用他们修正的标准压扁阻断距离，在平均工作温度为 20°C 的条件下，管道的使用寿命是 80 年，符合业界目前规定的燃气管道使用寿命标准。
聚乙烯管寿命加速试验的结果。
基于仿真和测试工作解决的问题，GTI 目前正致力于协助改进燃气管道维护工艺标准，希望能够在保证安全——这一最重要的因素的前提下，提升管道维护工序的效率，并节省成本。
扩展阅读
- 请在COMSOL News2016的第 18 页，阅读关于 GTI 及燃气管道维护的用户故事全文
- 浏览 COMSOL 博客，更深入地了解有关非线性结构材料的仿真 App的信息
- 在COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中探索非线性结构力学建模的最新功能和工具
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