天然氣長輸管道通過高填方規(guī)劃道路區(qū)的整治設(shè)計

周學深 楊澤亮 韓鵬

中國石油天然氣管道局天津設(shè)計院

由于經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，天然氣長輸管道路由不僅要考慮管輸用戶的需求，同時還要考慮地方經(jīng)濟發(fā)展給管道造成的安全隱患。青島11.22原油管道爆燃事故教訓慘痛，管道設(shè)計要符合地方規(guī)劃，管道路由選擇應盡可能避開規(guī)劃區(qū)。但管道有時要與規(guī)劃的城市供氣門站相接，常需要進入規(guī)劃區(qū)內(nèi)。如湖南某輸氣管道因規(guī)劃及工期等原因，部分管道敷設(shè)于未實施的規(guī)劃城市道路下，因地方經(jīng)濟發(fā)展需要，地方政府需要實施規(guī)劃道路，而規(guī)劃區(qū)內(nèi)管道路由丘陵地形起伏較大，管道上方回填厚度最大達34m。因高填方將造成管道的地基產(chǎn)生沉降，管道出現(xiàn)應力集中，嚴重影響管道的安全運行［1］。不均勻沉降是導致埋地管道破壞的重要原因之一［2］。針對天然氣長輸管道敷設(shè)于高填方規(guī)劃道路下，對高填方段管線應力進行分析，提出整改措施并計算其安全合理性。

1 工程概況

某長輸管道工程為輸氣管道，管道沿線為三級地區(qū)，管徑為508mm，壁厚為7.9mm，設(shè)計壓力為6.3 MPa，管道材質(zhì)為X65，約500m管線敷設(shè)于規(guī)劃道路下，由于道路標高調(diào)整，管道頂部需填土厚度最大約為34m，管道埋設(shè)深度已超出管道允許的最大埋設(shè)深度要求。另外，由于該段管道上方道路施工過程中需要回填碾壓，管道存在沉降壓裂和斷裂風險。

2 整治原理

油氣長輸管道一般均埋設(shè)在地下，管道周圍土壤為管道提供支撐和保護。土壤的運動及管道與周圍土壤間的相互作用采用管道—土壤相互作用單元建模，管土相互作用單元適用于深埋管線和周圍土體的相互作用問題，簡化了管線與土體接觸面的模擬［3］。

埋地管道可以將管道周圍的土壤看成具有一定抗壓剛度系數(shù)的彈性土壤，土壤對管道的作用表現(xiàn)為主動土壓力和被動土壓力。管道上方的回填土看作荷載，管道底部的土壤看作彈性地基［4］。將管土間的相互作用過程視作彈性彈簧的施力過程，管線的反應視為彈性地基梁，適用于場地變形為中小程度的情況［5］。

通過應用ABAQUS有限元軟件，用梁單元模擬管道，將管道上方的回填土視為荷載，管道下方的彈性地基模擬為均勻分布的彈簧，對敷設(shè)于高填方規(guī)劃道路下的管道整治方案進行應力分析，判斷整治方案的安全合理性。

3 工程實例

3.1 整治方案

該段管道壁厚為7.9mm，根據(jù) GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》［6］中的5.1.4條，當管道埋設(shè)較深或外荷載較大時，應按無內(nèi)壓狀態(tài)校核其穩(wěn)定性。該規(guī)范管道徑向穩(wěn)定核算采用依阿華（IOWA）公式計算管道變形，計算的ΔX不應超過管道外徑的3%［7］。

式中D為鋼管外徑，m；ΔX為鋼管水平方向最大變形量，m；Dm為鋼管平均直徑，m；W為作用在單位管長上的總豎向荷載，N／m；W1為單位管長上的豎向永久荷載，N／m；W2為地面可變荷載傳遞到管道上的荷載，N／m；Z為鋼管變形滯后系數(shù)，取1.5；K為基座系數(shù)；E為管材彈性模量，MPa；I為單位管長截面慣性矩m4／m；δn為鋼管壁厚，m；Es為回填土壤的變形模量，MPa。

采用依阿華公式計算，管頂覆土厚34.2m時需要管道最小壁厚應為14.07mm，目前管道壁厚不能滿足徑向穩(wěn)定性要求，計算結(jié)果如表1所示。

表1 徑向穩(wěn)定性校核表

高填方規(guī)劃區(qū)長輸管道處理目前多采用保護涵方案，保護涵采用跨度4m鋼筋混凝土蓋板涵，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，保護涵凈高約為2m，為防止天然氣泄漏危害，保護涵內(nèi)多用砂進行回填。本工程管道路由于敷設(shè)于規(guī)劃道路下地段地形起伏大，部分管溝為高陡邊坡，打樁難度大，管涵施工需要較大的工作面，施工周期長，費用高，且不滿足地方政府道路施工工期要求。與保護涵方案相比，更換厚壁管方案具有施工期短、對道路施工影響小、投資低等優(yōu)點。因此整治方案選用了更換厚壁管線方案，管道壁厚取為14.2mm。

3.2 地基沉降計算

該段管道路由經(jīng)過地帶為剝蝕丘陵地貌，以風化剝蝕為主，整體地形起伏較大，海拔高度介于111.35～148.38m。管道穿越地段主要由素填土、粉質(zhì)黏土、卵石土組成，下部基巖為白堊系砂礫巖、砂巖。地基沉降計算中，巖土承載力及變形模量采用表2推薦值。

表2 巖土承載力及變形模量推薦值表

地基土層由于外荷載作用自身的壓縮應力（σz）隨深度遞減，地基土的連結(jié)強度（pc）則隨深度遞增，當有效壓縮應力珋σ2＝σz－pc＝0時，土體就不再產(chǎn)生顯著的變形。連結(jié)強度的存在，使地基在外荷載作用下，荷載與沉降呈非線性關(guān)系，地基變形隨深度迅速衰減［10］。本工程將回填土視為外部附加荷載計算管道地基的沉降量。管道上部回填土的土壤密度假定與管道下部黏土密度相同。管道上部土壤壓力（p）按式（5）計算，得到結(jié)果為677kN／m3。

式中ρ為土壤密度，kg／m3；g為重力加速度；H為管道覆土深度，m。

根據(jù) GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［11］對管道下地基按式（6）進行沉降量計算，回填土作為附加荷載計算管道地基沉降量。

式中s為地基最終變形量mm；s′為按分層總和法計算出的地基變形量，mm；Ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；n為地基變形深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；Esi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，MPa；Zi、Zi－1為基礎(chǔ)底面至第i層土，第i－1層土距離，mm為基礎(chǔ)底面計算點至第i層土、第i－1層土底面范圍內(nèi)平均附加應力系數(shù)，按規(guī)范附錄采用。

由壓縮模量當量值可從規(guī)范表5.3.5查得Ψs為0.44，計算得到總沉降量為185mm。由于計算中部分土層采用變形模量代替壓縮模量及考慮一定安全系數(shù)，管道下方彈性地基的總沉降量定為215mm。

3.3 管道沉降應力校核

3.3.1 管道設(shè)計參數(shù)

該段管道部分敷設(shè)在回填土中，部分敷設(shè)在原土層中，管道存在不均勻沉降問題。因此，需要對整治后管道不均勻沉降進行應力分析，校核管道強度是否滿足規(guī)范要求，管道設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 管道設(shè)計參數(shù)表

有限元分析中將土壤對管道的約束假設(shè)為均布彈簧約束，管道受土壓力及土壤沉降作用主要發(fā)生垂向變形，主要考慮土壤對管道的垂向約束的作用。根據(jù)GB 50470—2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》［12］附錄E提供的計算公式，計算土壤的垂向彈簧剛度，計算得到土壤垂向剛度為239N／m。

3.3.2 校核準則

根據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》，埋地管道強度校核準則為：

式中σe為管道的當量應力；σh為各荷載產(chǎn)生的環(huán)向應力代數(shù)和；σa為各荷載產(chǎn)生的軸向應力代數(shù)和；σs為管道的規(guī)定屈服強度。

3.3.3 分析步設(shè)定及假定

分析考慮的荷載包括外部土壓、管道內(nèi)壓、沉降引起的彎曲以及管道溫差應力。管道按最不利工況（不均勻沉降量為215mm），如此情況下管道應力滿足規(guī)范要求，則認為管道安全。外部回填土壓強為677 kN／m2，管道安裝溫度為5℃。

設(shè)定4個分析步驟，模擬管道在不同荷載組合作用下的受力情況：①指定管道沉降位移量為215mm；②加載管道的外部土壓；③加載管道的內(nèi)壓；④加載管道設(shè)計溫度。

3.3.4 模型建立

采用ABAQUS中的PIPE31單元模擬管道，計算長度采用60倍管徑［13－14］，管道模型總長度為45m，其中沉降區(qū)域長度為15m，圖1為整體模型，因其具有對稱性，模型只建一半，其中管道一端為固定約束，另一端為對稱約束，中部沉降量為215mm。

圖1 管道有限元分析模型圖

3.3.5 分析結(jié)果

采用的校核公式為第三強度準則，ABAQUS軟件給出Tresca強度準則下的管道應力。校核了管道在無內(nèi)壓、運行以及考慮安裝與運行溫差效應時3種工況下的應力，校核結(jié)果如表4所示，圖2為3種荷載工況組合下的應力云圖。

從表4可以看出，規(guī)劃道路高填土引起管道沉降量為215mm，整治后管道強度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

研究了通過高填方規(guī)劃道路時的天然氣長輸管道整治方案，并分析了管道的穩(wěn)定性以及因規(guī)劃道路高填方不均勻沉降引起的管道應力。通過應力云圖可以看出，管道在沉降突變處出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，如果對該區(qū)域的管道不采取合理的整治措施，管道將在運行時出現(xiàn)事故。通過應用有限元軟件ABAQUS分析，高填方區(qū)管道因不均勻沉降引起的應力，通過增大管道壁厚的整治方案最為經(jīng)濟、合理，但管線運行安全的根本保障還是避免管線路由敷設(shè)于高填方規(guī)劃區(qū)內(nèi)。

表4 管道應力校核結(jié)果表

圖2 3種荷載組合下的管道應力云圖

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