一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂扩展过程分析方法

本发明属于二氧化碳安全输运研究领域，具体涉及一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂扩展过程分析方法。

背景技术：

1、由于全球碳排放量逐年升高，全球环境温度逐渐上升。碳捕集、利用、封存(carboncaptureutilization and storage,ccus)作为缓解全球环境变暖的有利措施，已被全球各个国家纳入国家发展规划中。管道作为连续、长距离、大流量输运二氧化碳的最优方式，其安全设计一直备受关注和研究。二氧化碳输运管道长期在高温、高压及腐蚀性等环境中服役，会无法避免的出现性能劣化、损伤、裂纹乃至失效，如长期服役管道会形成腐蚀、泄漏、开裂等现象。由于二氧化碳具有较强的焦耳-汤姆逊系数，局部泄漏会造成泄漏口温度骤降，造成管道材料韧性值急剧下降，在管内高压作用下形成失效，进而在管内压力的驱动下引发管道延性断裂扩展。

2、但由于二氧化碳输运管道全尺寸断裂试验准备周期长、耗资量大、技术门槛高、危险系数大、不确定因素高，限制了管道安全设计和评价体系的发展。目前，掌握二氧化碳全尺寸断裂试验的国家/团队均集中在欧洲等国家，受多种因素限制不能任意开展全尺寸断裂试验。数值模拟方法的分析结果目前得到全球科研工作者的认可。因此，通过模拟分析软件开展数值模拟研究可弥补无法开展特定试验的困境。

3、当前，针对管道延性断裂的研究，常采用函数关系式、常压值、理想气体状态方程定义管内压力，该方法在处理管内压力变化时存在过度简化，忽略了二氧化碳的物性变化，因此得到的数值分析结果与实验值存在较大差异。因此，亟需一种能够真实模拟管道断裂过程的数值分析方法，用于分析管道断裂和流体减压行为。

4、为解决上述研究瓶颈，本发明基于abaqus仿真软件分析环境提出了一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂过程分析方法，具有计算精度高、分析结果形象，能够同时描述管道失效时管道断裂和流体减压的耦合过程的特点。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术无法开展全尺寸断裂试验的情形下，通过仿真软件同时模拟管道断裂和二氧化碳减压等问题，提供一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂过程分析方法。该方法可真实模拟二氧化碳管道失效时，管道受管内高压气体的影响形成延性扩展断裂的过程，用于指导管道参数设计，延长二氧化碳输运管道的安全运营周期。该方法可研究不同材料制造而成的直径、壁厚不等的管道，初始压力不同的管道输运场景，具有应用范围广，针对性强，试验周期短的优势，实现对不同材料、不同初始压力形成的管道安全评价。

2、本发明采用以下技术方案来实现目的：

3、一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂过程分析方法，包括如下步骤：

4、s1、采用三维软件建立二氧化碳输运管道三维分析模型；

5、s2、通过万能材料试验机进行物理测试获得材料属性参数，建立试验材料的本构模型和断裂模型，其中的断裂模型采用gtn(gurson-tvergaard-needleman)断裂模型，并根据拟开展的仿真分析设定固体域的边界条件；

6、s3、基于peng-robison状态方程形成流体参数，并将流体参数输入至abaqus软件的流体域的材料定义函数*eos,type＝tabular中，并设置流体域的边界条件；

7、s4、选用合适的网格划分策略对固体域和流体域的网格进行划分，选用合适的求解器开展流固耦合的分析计算；

8、s5、在abaqus软件中对仿真结果进行处理，进而得到管道断裂速度和管内二氧化碳减压波传播速度。

9、进一步的，所述s2中，试验材料的本构模型建立过程为：通过万能试验机对试验材料进行准静态单向拉伸，拉伸速率为0.1mm/min～5mm/min。通过拉伸试验得到不同应变率下的拉力值，通过计算得到试验材料的真实应力-应变曲线。

10、进一步的，所述s2中，gtn断裂模型的函数，即本构方程表示为：

11、

12、式中，φ为屈服强度；req为宏观mises等效应力；rel为试验材料的屈服强度；rh为宏观静水应力；q1、q2、q3为损伤参数；f*为空洞的体积分数；fc为临界孔洞体积分数；f0为初始孔洞体积分数。

13、进一步的，所述s2中，试验材料的gtn断裂模型建立过程为：在abaqus软件中建立与材料拉伸试验相同的几何模型和拉伸参数；通过调整*damage evolution关键字中的fc和f0的值，使材料本构方程形成的仿真结果与材料拉伸试验值得到的真实应力-应变曲线最大程度吻合。

14、进一步的，所述s3中，采用peng-robison状态方程计算二氧化碳介质在不同压力值对应的密度值，将压力-密度对应值通过abaqus软件中关键字*eos,type＝tabular完成设置，该操作方式中压力和密度的关系式为：

15、p＝f1(εvol)+ρ0f2(εvol)em

16、式中，p为压力值；f1、f2是指数体积应变率ε(vol)的函数；ε(vol)的表达式为ε(vol)＝ln(ρ0/ρ)，其中ρ0是参考密度；em是流体的内能。

17、进一步的，所述s4中，选用合适的网格划分策略对固体域中的管道进行网格划分，对流体域中的二氧化碳进行网格划分；选用不同步进增量的求解器完成求解器的设置；在abaqus软件中提交算例，直至完成算例的计算。

18、进一步的，所述s5中，在abaqus软件中对流固耦合计算结果进行处理，可得到管道断裂速度和二氧化碳减压速度。

19、综上所述，采用本发明提出的技术方案，可形成的有益效果如下：

20、本发明建立了一种合理全面的试验材料本构模型、断裂模型、流体属性模型，以用于模拟二氧化碳输运管道全尺寸断裂的模拟，能满足不同性能材料、不同直径、壁厚的管道在不同初始压力下的二氧化碳作用下断裂扩展速度，充分考虑了管道材料性能和流体特性的相互影响；在实际试验数据的对比评估下，充分表明了本发明方法开展二氧化碳输运管道延性断裂的准确性，极大的提高了不同压力二氧化碳管道断裂失效的预测精度，对全球ccus领域中管道的安全设计和评价具有重大意义。

技术特征：

1.一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂扩展过程分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂扩展过程分析方法，其特征在于，所述s2中，试验材料的本构模型建立过程为：通过万能试验机对试验材料进行准静态单向拉伸，拉伸速率为0.1mm/min～5mm/min；通过拉伸试验得到不同应变率下的拉力值，通过计算得到试验材料的真实应力-应变曲线。

3.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂扩展过程分析方法，其特征在于，所述s2中，gtn断裂模型的函数，即本构方程表示为：

4.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂扩展过程分析方法，其特征在于，所述s2中，试验材料的gtn断裂模型建立过程为：在abaqus软件中建立与材料拉伸试验相同的几何模型和拉伸参数；通过调整*damage evolution关键字中的fc和f0的值，使材料本构方程形成的仿真结果与材料拉伸试验值得到的真实应力-应变曲线最大程度吻合。

5.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂扩展过程分析方法，其特征在于，所述s3中，采用peng-robison状态方程计算二氧化碳介质在不同压力值对应的密度值，将压力-密度对应值通过abaqus软件中关键字*eos,type＝tabular完成设置，该操作方式中压力和密度的关系式为：

6.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂扩展过程分析方法，其特征在于，所述s4中，选用合适的网格划分策略对固体域中的管道进行网格划分，对流体域中的二氧化碳进行网格划分；选用不同步进增量的求解器完成求解器的设置；在abaqus软件中提交算例，直至完成算例的计算。

7.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂扩展过程分析方法，其特征在于，所述s5中，在abaqus软件中对流固耦合计算结果进行处理，可得到管道断裂速度和二氧化碳减压速度。

技术总结
一种基于流固耦合技术的二氧化碳输运管道断裂扩展过程分析方法，该方法包括：采用三维软件建立二氧化碳输运管道三维分析模型；通过万能材料试验机进行物理测试获得材料属性参数，建立试验材料的本构模型和断裂模型，并设定固体域的边界条件；基于Peng‑Robison状态方程形成流体参数，并将流体参数输入至ABAQUS软件的流体域的材料定义函数*EOS,TYPE＝TABULAR中，并设置流体域的边界条件；对固体域和流体域的网格进行划分，开展流固耦合的分析计算；在ABAQUS软件中对仿真结果进行处理，得到管道断裂速度和管内二氧化碳减压波传播速度。该方法可实现对不同材料、不同初始压力形成的管道安全评价。

技术研发人员：喻健良,陈磊,刘镇溪,闫兴清,胡延伟,祁畅,杨凯,乔帆帆,丁建飞
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29