DIC应用：油气管道在爆炸冲击下的力学性能实验

管道作为油气最快捷、经济、可靠的运输方式，被称为生命线工程，其结构安全性和可靠性日益突出并受到广泛关注。

随着油气运输管网的不断完善，多条管道并行敷设更密集，并行管道的里程也会持续上升，油气管道的爆炸对相邻管道的影响也愈大。研究埋地管道对爆炸冲击波的受力过程，分析油气管道的抗爆性能，对保障油气输送安全意义重大。

一、管道爆炸冲击测量的需求

地下爆炸冲击对结构造成的损伤和破坏，以及爆炸振动效应对建筑物和设备正常工作产生的影响是工程领域广泛关注的课题。研究爆炸冲击对材料和结构破坏特征和动力响应，有助于提升地下管道结构的抗冲击防护能力。

自70年代中期开始，参照发达国际标准，“以强度保证安全”规定相应的管道设计，通过严格控制管道及其构件的强度和严密性确保管道系统的自身安全，油气管道结构需严格测试防爆抗冲击参数，以确保达到相应的标准要求。

二、传统测试与新技术对比

爆炸冲击过程中的瞬态变化快，采用传统测量方式很难测量，而变化过程往往又十分复杂，冲击应变过程与接触材料的刚度、材料、接触方式都有关系。
在测量方法的选择、测量仪器的选择上走入误区，会导致测量结果错误。冲击由于不同的冲击方式，对传感器的响应频率、图像采集频率要求也不一样。

传统的接触式测量，无法观测高应变率的动态过程，也无法进行全视场测量，仅能测量少量局部点位移，漏掉关键位置易导致测试失败，造成风险隐患等；利用DIC技术可以快速获取全场三维变形和应变数据，可高速动态采集变形过程，让产品开发人员对结构的力学行为有全局把握，且测量结果便于与仿真结果比对与评估。

三、新拓全场应变测量解决方案

新拓三维XTDIC-STROBE三维动态测量系统，采用高速相机采集管道爆炸冲击全过程，并实时记录并获得数字图像,利用DIC方法处理数字图像得到三维变形场信息，从而分析管道在爆炸过程中的三维位移场及应变场，分析其动态变形破坏行为和力学性能，并评价其防护性能。

爆炸产生高能量密度的气体，其剧烈的膨胀流动是造成结构损伤破坏和物体加速运动的根本原因。在此次油气管道爆炸冲击试验中，XTDIC-STROBE三维动态测量系统配置的高速相机，可高速率进行拍摄，实现高分辨率捕捉爆炸冲击全场变形过程，所有图像采集的后处理分析在XTDIC-STROBE系统软件中进行，以便于观察油气管道各个位置的位移应变。

根据符合实际的工况，对埋地油气管道的物理爆炸冲击进行了试验模拟，分析管道的动力响应过程，在爆炸冲击过程中实时观测管道截面上关键点的最大应力及应力变化过程，迎爆面上最大应力部位随时间逐渐迁移的过程，爆炸冲击膨胀流动情况及管道截面上应变变化如下图所示：

针对不同爆距、TNT当量、管道缺陷、不同土壤进行模拟分析，可测试管道的最大等效应力随爆距增加呈指数衰减，随TNT当量增大呈线性增长，随缺陷深度增加呈线性增大，利用XTDIC-STROBE三维动态测量系统可直接测量爆炸冲击瞬态力学环境，并呈现管道结构的动态应变、位移和加速度等具体位置参数，准确地分析爆炸冲击性能及管道结构全场应变。

通过定量分析爆炸冲击对输油气管道产生的动力响应，同时基于多种工况下的数值模拟分析，结合实测应力应变数据，可精准掌握管道动态响应过程中动应力峰值，确定管道在特定工况下的极限载荷，以此作为有助于提升管道的力学载荷性能，合理制定管道的安全保护措施，对埋地输气管道的设计、施工和完整性管理具有一定的参考价值。