Equation to predict maximum pipe stress incorporating internal and external loadings on buried pipes: Fid-Bau Portal

Equation to predict maximum pipe stress incorporating internal and external loadings on buried pipes

Robert, D.J

Pipelines used for water and other services are very important lifelines in modern society. Commonly, these buried pipes are subjected to significant stresses due to external (traffic and earth) and internal (water pressure) loads. As many of these pipelines were laid sometime in the last century or earlier, in most cases their condition has deteriorated primarily by electrochemical and (or) microbiological corrosion. Corrosion activity (internal and external) can manifest in various forms, but in many cases will lead to reduced pipe thickness, which in turn leads to an increase in pipe stresses induced by the external and internal loads. Currently available analytical procedures to estimate pipe stresses are based on oversimplifications such as the two-dimensional (2-D) analysis based on Winkler springs, limiting their application to general pipe burial conditions. This paper describes the application of a three-dimensional (3-D) finite element method to analyse a buried pipe subjected to external and internal loads. Firstly, the finite element model is validated against the data from field tests conducted on the basis of a cast iron pipe that was laid in 1930 at Strathfield, Sydney, Australia. The results of these 3-D finite element analyses are then used to develop a closed-form expression to predict maximum stresses in pipes of different sizes buried in different soil types. Having obtained a good agreement between the proposed model outcomes and the 3-D finite element analysis results, the proposed model has been validated against the field test data under different internal and external loadings. The verified outcomes of the model reveal that it can be used to predict maximum stresses without conducting a full-scale finite element analysis, which often requires specific computational resources and computational skills. Furthermore, the proposed model can be used in probabilistic analyses, where a large number of calculations need to be carried out to account for the uncertainty of the input variables. The applications of the model are also discussed in relation to the assessment of pipe performance and remaining safe life.

Les pipelines utilisés pour l’eau et d’autres services sont de très importants réseaux vitaux dans la société moderne. Généralement, ces tuyaux enterrés sont soumis à des contraintes externes importantes (le trafic et la terre) et à des charges internes (la pression d’eau). Lorsque beaucoup de ces pipelines ont été installés à un moment donné au cours du dernier siècle ou plus tôt, dans la plupart des cas, leur état est dégradé principalement par la corrosion microbiologique et (ou) électrochimique. L’activité de corrosion (interne et externe) peut se manifester sous des formes diverses, mais dans de nombreux cas, cela aboutira à une épaisseur réduite de tuyau, ce qui entraîne à son tour une augmentation des contraintes de tuyauterie induites par les charges externes et internes. Les procédures analytiques disponibles actuellement pour estimer les contraintes de tuyauterie sont basées sur des sursimplifications telles que des analyses à deux dimensions (2-D) basées sur des ressorts Winkler, limitant leur application aux conditions générales d’enfouissement de tuyaux. Cet article décrit l’application d’une méthode à éléments finis en trois dimensions (3-D) pour analyser un tuyau enfoui assujetti à des charges externes et internes. Tout d’abord, le modèle à éléments finis est validé par rapport à des données d’essais sur le terrain mené sur la base d’un tuyau en fonte qui a été posée en 1930 à Strathfield, Sydney, Australie. Les résultats de ces analyses par éléments finis en 3-D sont ensuite utilisés pour développer une expression de forme fermée pour prédire les contraintes maximales dans les tuyaux de différentes tailles enfouies dans différents types de sol. Après avoir obtenu un bon accord entre les résultats des modèles proposés et les résultats de cette analyse à éléments finis en 3-D, le modèle proposé a été validé par rapport aux données d’essais sur le terrain sous différentes charges internes et externes. Les résultats vérifiés du modèle révèlent qu’il peut être utilisé pour prédire les contraintes maximales, sans procéder à une analyse à éléments finis à grande échelle, ce qui nécessite souvent des ressources de calcul spécifiques et des compétences informatiques. En outre, le modèle proposé peut être utilisé dans les analyses probabilistes, où un grand nombre de calculs ont besoin d’être effectués pour tenir compte de l’incertitude des variables d’entrée. Les applications du modèle sont également discutées dans le cadre de l’évaluation des performances de conduite et la durée sécuritaire de vie restante. [Traduit par la Rédaction]