就燃氣管道的維護標準而言，“規(guī)則是用來打破的”這句俗語可能并不適用，而“規(guī)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(yè)位置和管件之間的距離，可能導(dǎo)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(lián)手美國燃氣技術(shù)研究院（Gas Technology Institute，簡稱 GTI）啟動了一個相關(guān)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(guān)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(shù)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(yè)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(xié)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(shù)值中較大的值。
這一標準給管道維護行業(yè)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(jù)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(dǎo)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(yè)距離？
利用 COMSOL Multiphysics 分析管道的應(yīng)力與應(yīng)變
GTI 團隊中的 Oren Lever 和 Ernest Lever 通過一個全參數(shù)化的聚乙烯（PE）管道瞬態(tài)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(jié)構(gòu)力學”和“非線性結(jié)構(gòu)材料”模塊定義了兩組結(jié)構(gòu)接觸的數(shù)值和力學屬性，這兩組結(jié)構(gòu)接觸分別為：管道與管道間的內(nèi)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(yè)各個階段中管道發(fā)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(wǎng)格剖分，以便分析這一處管道在完全壓扁且阻斷燃氣時發(fā)生的大變形。借助 COMSOL 軟件的網(wǎng)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(yīng)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(gòu)模型才能描述其行為。為此，他們向 COMSOL 認證咨詢機構(gòu) Veryst Engineering 公司尋求幫助，希望能將指定的材料模型導(dǎo)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(shù)擬合到聚乙烯材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)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(yīng)變率和應(yīng)變，尤其是在高應(yīng)變下（例如當管道完全壓扁時），反復(fù)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(yīng)結(jié)果,來源于實驗數(shù)據(jù)，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(fā)的優(yōu)化工具 MCalibration，并通過不斷調(diào)整，終于找出與實驗數(shù)據(jù)匹配的真實材料參數(shù)值，從而確保定制材料模型能夠完美地配合 GTI 的仿真。
結(jié)果分析與措施探討
通過研究，GTI 發(fā)現(xiàn)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(yè)時，造成的應(yīng)變并未超過管道行業(yè)目前允許的應(yīng)變極限。
此外，為了進一步驗證結(jié)果，GTI 團隊還進行了加速壽命試驗。他們發(fā)現(xiàn)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(yè)界目前規(guī)定的燃氣管道使用壽命標準。
聚乙烯管壽命加速試驗的結(jié)果。
基于仿真和測試工作解決的問題，GTI 目前正致力于協(xié)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(jié)省成本。
