就燃氣管道的維護標準而言，“規則是用來打破的”這句俗語可能并不適用，而“規則注定要修正”則顯得更為貼切。具體來講，過大估計管道的壓扁阻斷作業位置和管件之間的距離，可能導致不必要的開挖。鑒于此，作為天然氣配送公司的合作伙伴，OTD（Operations Technology Development 的簡稱）公司聯手美國燃氣技術研究院（Gas Technology Institute，簡稱 GTI）啟動了一個相關項目，在這項研究中，研究人員利用仿真探究了進行管道維護時所需的安全距離。
壓扁阻斷：燃氣管道維護的關鍵工序
壓扁阻斷是燃氣管道維護和維修的一道工序。該技術利用擠壓工具壓緊管道，從而完全阻斷燃氣流動。為避免損壞管道，壓扁阻斷作業必須緩慢進行。
通用管道的壓扁阻斷工藝流程圖（左下）及照片（右上）。
美國材料與試驗協會（American Society for Testing and Materials，簡稱 ASTM）制定了燃氣管的壓扁阻斷工藝標準。壓扁阻斷工具與最近的管件之間的距離須為管道直徑的三倍或約為 30 厘米（12 英寸），取這兩個數值中較大的值。
這一標準給管道維護行業帶來了不便，因為絕大部分普通消費者使用的管道直徑約為 6 厘米（2.375 英寸），所以管道直徑的三倍長度一般是 18 厘米（7 英寸），但根據標準壓扁阻斷距離須取較大的值，也就是說擠壓工具與管件必須相隔 30 厘米。這便導致了管道維護時需要挖掘進入干道和彎道，從而會造成維護工作成本高昂且效率低下。
正是 ASTM 制定的這一標準促使 OTD 公司贊助 GTI 的研究人員去探究一個問題：30 厘米的壓扁阻斷距離對于直徑較小的管道來說是否必要？能否修正這一標準，允許較細的管道采用直徑的三倍長度作為作業距離？
利用 COMSOL Multiphysics 分析管道的應力與應變
GTI 團隊中的 Oren Lever 和 Ernest Lever 通過一個全參數化的聚乙烯（PE）管道瞬態模型來研究這個課題，此模型還配備有夾管器和連接件。他們使用 COMSOL Multiphysics 的“結構力學”和“非線性結構材料”模塊定義了兩組結構接觸的數值和力學屬性，這兩組結構接觸分別為：管道與管道間的內部接觸，以及管道與夾管器間的外部接觸。
研究人員借助仿真分析了壓扁阻斷作業各個階段中管道發生的大變形，這些階段包括：
管道增壓
壓扁阻斷
保持
釋放
松弛
壓扁阻斷的五個步驟的仿真。
完全壓扁阻斷時管道的總位移。
GTI 團隊還對夾具壓條下方的管道進行了網格剖分，以便分析這一處管道在完全壓扁且阻斷燃氣時發生的大變形。借助 COMSOL 軟件的網格剖分功能，可以便捷地將管道直徑從常見的 6 厘米縮放為各種不同的長度。
應用定制化的材料模型
上文中用于制造管道的聚乙烯材料具有獨特的屬性和性能，研究人員需要使用一個定制的粘彈-塑性本構模型才能描述其行為。為此，他們向 COMSOL 認證咨詢機構 Veryst Engineering 公司尋求幫助，希望能將指定的材料模型導入他們的 COMSOL Multiphysics 仿真中。
Veryst 團隊首先進行了實驗材料測試，目的是校準通常用于描述聚乙烯（一種熱塑性塑料）的材料模型。然后，他們將材料模型的參數擬合到聚乙烯材料的應力-應變響應中。最后，為了在仿真中使用定制的材料模型，他們采用了一組常微分方程（ODE）。
針對材料測試，GTI 選用了中密度聚乙烯（medium-density polyethylene，簡稱 MDPE）作為管道材料。他們針對不同的溫度、應變率和應變，尤其是在高應變下（例如當管道完全壓扁時），反復進行了拉伸和壓縮測試。除此之外，他們還對指定材料進行了加載和卸載測試。
MDPE 材料的拉伸響應結果,來源于實驗數據，以及由 Veryst Engineering 公司做出的定制材料模型。
研究人員隨后使用了自己開發的優化工具 MCalibration，并通過不斷調整，終于找出與實驗數據匹配的真實材料參數值，從而確保定制材料模型能夠完美地配合 GTI 的仿真。
結果分析與措施探討
通過研究，GTI 發現對于直徑較小（例如小于 9 厘米，即 3.5 英寸）的管道而言，在距離小于 30 厘米的三倍管直徑處進行壓扁阻斷作業時，造成的應變并未超過管道行業目前允許的應變極限。
此外，為了進一步驗證結果，GTI 團隊還進行了加速壽命試驗。他們發現如果采用他們修正的標準壓扁阻斷距離，在平均工作溫度為 20°C 的條件下，管道的使用壽命是 80 年，符合業界目前規定的燃氣管道使用壽命標準。
聚乙烯管壽命加速試驗的結果。
基于仿真和測試工作解決的問題，GTI 目前正致力于協助改進燃氣管道維護工藝標準，希望能夠在保證安全——這一最重要的因素的前提下，提升管道維護工序的效率，并節省成本。
