随着中国经济的快速发展及城镇一体化的推进,城市规模不断扩张,原有远离城市的输油气钢管线逐渐被新建建筑物包围,由此带来的安全距离不足给人民财产安全造成威胁。输油气管道随服役年限的增加,由于腐蚀等因素产生缺陷发生油气泄漏时,如果遭遇明火极有可能发生连续爆炸。在爆炸荷载作用下,裂纹沿着钢管轴向持续发展,由此引发的连续爆炸会带来严重的人员伤亡和经济损失。因此,如何有效限制油气管线的连续爆炸是当下亟需解决的一个重要工程问题。碳纤维增强复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、施工速度快等诸多优点,已在工程结构加固改造中得到了广泛应用。若在油气管线表面沿一定长度缠绕碳纤维增强复合材料限爆环(以下简称限爆环),对阻断爆炸荷载导致管线表面裂纹的连续发展并降低连续爆炸导致的损失具有重要意义。因此,本文以内爆炸荷载作用下输油气管道的动力响应及碳纤维复材限爆环对钢管裂纹的约束效果为研究对象,采用爆炸试验和ANSYS/LY-DYNA有限元模拟相结合的方式开展研究:(1)研究爆炸冲击波在封闭钢管内的传播规律,开展以炸药量为变量的钢管内爆炸试验,得到不同乳化炸药质量下爆炸冲击波到达钢管表面的超压时程曲线,加速度及应变数据,通过对数据分析得到爆炸冲击波在钢管内传播的数学计算模型。(2)研究钢管在内爆炸荷载下的破坏机理,进行大药量内爆炸试验,根据试验条件可知钢管内爆炸属于近场爆炸,对于钢管破坏因素主要为超压、冲量和温度。由于温度传播速率远远低于爆炸冲击波,故可忽略。根据拉梅公式和冲量准则,推导出爆炸冲击波超压和冲量耦合作用下钢管的破坏准则及数学表达式。(3)研究限爆环约束下管道裂缝尖端的应力应变场。根据裂纹的形貌特征,钢管在内爆炸荷载下的裂缝为Ⅰ型裂缝。为确定限爆环约束下Ⅰ型裂缝尖端应力强度因子,通过一系列带限爆环的钢管内爆炸试验,得到钢管及限爆环在爆炸荷载下的典型破坏特征,分析限爆环对裂缝尖端应力应变场的影响规律,建立爆炸荷载作用下的裂纹扩展数学计算模型。(4)研究钢管在不同药量下内爆炸荷载下的超压时程曲线和冲量,利用ANSYS/LY-DYNA有限元进行仿真模拟,对钢管在不同质量乳化炸药下的试验工况进行模拟,分析到达钢管表面超压和应变的大小,并与钢管内爆炸试验进行对比,验证数值模拟的正确性,根据得到的数据,进一步修正钢管在爆炸荷载作用下破坏的计算模型。