埋地管道的裂紋擴展分析

邱 剛，張玉敏

（河北聯(lián)合大學(xué)建工學(xué)院，唐山 063009）

埋地管道的裂紋擴展分析

邱 剛，張玉敏

（河北聯(lián)合大學(xué)建工學(xué)院，唐山 063009）

該文采用有限元軟件ADINA，模擬具有初始裂紋等缺陷的管道破壞情況，同時建立管道的三維Rupture模型，結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果得出不同的結(jié)論，建立實體模型，在裂紋路徑及初始缺陷都已知的情況下采用軟件中的Fracture模塊分析裂紋擴展問題。在已知初始裂紋的前提下，利用回路J積分的動態(tài)守恒探討二維模型的平面應(yīng)變特性，通過實驗結(jié)果證實了裂紋開裂以及擴展路徑與理想的彈塑性材料破壞時比較吻合，也證明了理想彈塑性材料屈服理論符合實際工程需要。

裂紋擴展； 埋地管道； 斷裂力學(xué)

埋地輸液管道也就是平時所說的地下管道，作為松散固體、液體或者氣體的輸送媒介，在城市發(fā)展進程中起到至關(guān)重要的作用。特別是在市政管網(wǎng)、煤氣管道、給排水系統(tǒng)、電力以及通信工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，被冠以城市地下生命線美名的輸液埋地管道在現(xiàn)實生活中越來越重要。伴隨城市的不斷擴張，城市基礎(chǔ)設(shè)施的埋地管道假設(shè)遭遇地震等不可抗拒的地質(zhì)自然災(zāi)害，就會造成管道破壞，甚至可能產(chǎn)生爆炸、突發(fā)火災(zāi)、有毒氣體或液體泄漏等災(zāi)害發(fā)生。使城市的安全受到嚴(yán)重威脅，造成人們生命、財產(chǎn)不可估量的損失。

現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，首先重視的就是對能源需求，在眾多的能源需求大國中，我國現(xiàn)狀更加突出。能源需求每年都在飛速增長，而管道輸送能源就是最主要的方式之一。包括油、氣等與國民生活息息相關(guān)的能源都是以這種方式運輸，但管道運輸?shù)娜秉c也不容忽視，即使沒有遇到可以產(chǎn)生巨大外力的地震荷載，管道也極易因為機械損傷、腐蝕等缺陷而遭到破壞。從而管道的安全性及實用性就會大打折扣，對于管道表面的裂隙、坑弧等這些在管道生產(chǎn)之初及使用過程中的缺陷，勢必會在管道運行過程中埋下隱患［1］。

1 埋地輸液管道重要性體現(xiàn)

作為城市生命線系統(tǒng)的管道一旦遭受破壞，勢必會對人們生產(chǎn)、生活及城市安全造成極其嚴(yán)重的后果。例如1906年美國舊金山突發(fā)地震，由于作為消防用水的三條主要埋地管道受到嚴(yán)重?fù)p毀，使全市多達(dá)幾十處的火災(zāi)無法及時撲滅，而由地震直接造成的損失還不及由火災(zāi)引起的三分之一；又如近代初期發(fā)生的日本關(guān)東大地震，造成給水管道的較大規(guī)模破壞，而且發(fā)生的大火無法控制，造成約近50km2市區(qū)建筑徹底損壞，同時大火中產(chǎn)生的毒氣與火災(zāi)共造成三萬多人失去生命；又如1976年，中國唐山發(fā)生特大地震，破壞多處輸油管道，損失多達(dá)1萬多噸的原油，同時引起火災(zāi)多處，損失巨大；再如2011年日本9級大地震，造成一萬多人死亡，同時引發(fā)福島核泄漏，地下管道在受到如地震等外來力量的作用直接導(dǎo)致管道損毀，造成巨大的生命和經(jīng)濟財產(chǎn)損失。

2 埋地輸液管道破壞類型

造成管道破壞的因素是多方面的，一般依據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗理論可將管道破壞原因總結(jié)為三大類：地質(zhì)因素、工程因素以及腐蝕因素。由于管道損壞會對生命財產(chǎn)構(gòu)成巨大威脅的同時，也會產(chǎn)生災(zāi)難。所以，國內(nèi)外科研學(xué)者做了巨大努力，從不同層面分析管道在破壞時引發(fā)的關(guān)鍵因素。管道破壞的基本類型包括：管道變形、管道錯斷、管道破裂、密封性破壞以及腐蝕性穿孔等。在這眾多破壞形態(tài)中，管道變形及錯斷是最普遍發(fā)生的，并且通常狀況下是較為嚴(yán)重的損壞形態(tài)。

2.1 管道變形

當(dāng)管道破壞時，變形程度沒有超過管道本身塑性空間，此時就會產(chǎn)生管道變形。也就是管道某局部產(chǎn)生了較大形變，但并未達(dá)到開裂的狀態(tài)。管道變形主要有縮頸變形、彎曲變形、橢圓形變形、擴徑變形以及腐蝕破壞等五種不同型態(tài)。一般情況下，管道周圍土體吸水膨脹會產(chǎn)生強大外加軸向壓力，此時就會形成管道縮頸變形。但管道橫截面仍會保持圓狀，只不過管道損壞處的管徑相比原來尺寸要小。

管道本身有缺陷或者承受地層不均勻側(cè)向集中應(yīng)力，就會出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，但在某一薄弱點出現(xiàn)擴徑，這樣就使管道在徑向垂直面上出現(xiàn)內(nèi)凹形橢圓形。這種變形的截面可以用專業(yè)的微井陘儀測量測出。

一旦橢圓變形發(fā)生，管道軸線出現(xiàn)偏移，管道在宏觀上就是一種彎曲變形。地層中土體長期接受水浸狀態(tài)，組成土體的各種巖石包括泥巖、頁巖等就會產(chǎn)生膨脹，進而伴隨巨大的集中應(yīng)力出現(xiàn)，在這種力促使下，巖體相對于管道產(chǎn)生相對位移，在水平和徑向上就會產(chǎn)生彎曲變形。

2.2 管道密封性破壞

管道連接方式一般是絲扣或者焊接，若焊接不當(dāng)、絲扣質(zhì)量差，使管道間脫開分離就會形成管道密封性破壞。這種情況絕大多數(shù)發(fā)生在管道連接處，從而導(dǎo)致管道內(nèi)液體、氣體等損失甚至泄漏［2］。

2.3 管道錯斷

由于地質(zhì)構(gòu)造或斷層移動，管道就會受到剪切力作用，導(dǎo)致管道錯斷破壞。這是因為管道剪切力使其變形大大超出本身最大塑性極限，在管道軸向發(fā)生斷裂，斷裂兩端部分會產(chǎn)生相對滑動，這是目前所知管道破壞最嚴(yán)重的一種情形。在地震作用下，斷層結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生滑移，當(dāng)斷層移動速度達(dá)到并超過某一限值時，管道本身鋼材受力會被拉伸直至斷裂。

3 埋地輸液管道破壞影響特征

管道遭到破壞主要是因為在外來力作用下，使其超過管道材料本身極限強度，在宏觀上呈現(xiàn)破損狀態(tài)。簡而言之，管道破壞除與自身因素有關(guān)外，還與管道鋪設(shè)方法、管道所處地質(zhì)條件、管道周邊場地情況、管道所運輸介質(zhì)、地下水影響等有直接關(guān)系。由于環(huán)境不同，影響因素各異，導(dǎo)致管道破壞特征也各不相同。

3.1 地層、場地與施工方式的影響

地層、場地作為管道敷設(shè)的母體，本身的地質(zhì)條件與管道密切相關(guān)。當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其是地震作用影響巨大，通過對以往地震破壞的管道分析，管道本身對地震產(chǎn)生的加速度并不敏感，相反受場地形變影響很大。一般情況，地形場地應(yīng)變越大，管道變形破壞越明顯。地震作用下會產(chǎn)生地震波，而地震波本身的頻率有高低之分。較低頻率且含量豐富的地震波對管道產(chǎn)生的應(yīng)力越大，管道本身破壞也越明顯［3］。當(dāng)?shù)叵鹿艿婪笤O(shè)于堅硬且均勻地層場地中，地震波對管道破壞并不顯著；相反，當(dāng)?shù)貙油了绍洸痪鶆?，特別是在場地土條件差異變化較大的交匯處，此時管道破壞最嚴(yán)重。

3.2 管道本身性能的影響

管道本身材料性質(zhì)、管道壁厚度、管道口徑大小、管道彎頭管徑變化、管道接頭搭接等都影響管道破壞。首先，管道本身材料不同直接影響管道破壞程度，材料力學(xué)中所涉及材料的剛度和韌性，最能體現(xiàn)在管道破壞中。從大量地震破壞的管道中可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成管道的材料強度越低、韌性越差，抵抗變形的能力越小，管道本身破壞程度就越嚴(yán)重。比如，在相同狀況下，鑄鐵管要比鋼管破壞程度高，因為鑄鐵管道韌性差，混凝土管道強度和韌性也非常有限，所以相比于鑄鐵管還要差些。但是鋼管卻不同，鋼本身的強度和韌性要比鑄鐵和混凝土高很多，所以在地震中鋼管的破壞程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他材料的管道。

4 埋地管道斷裂破壞理論

4.1 斷裂破壞理論分析

斷裂力學(xué)作為固體力學(xué)的一個分支，主要探究材料初期存在初始裂紋以及裂紋在外力作用下的發(fā)展規(guī)律。在工程設(shè)計之初，被認(rèn)為最重要的指標(biāo)是結(jié)構(gòu)的耐久性、強度及經(jīng)濟性，而且大部分學(xué)者以為只要經(jīng)過詳細(xì)、周密的設(shè)計，材料的剛度和強度會和試驗相同［4］。隨著管道脆斷事故不斷發(fā)生，研究者發(fā)現(xiàn)管道材料在使用過程中，材料本身就會產(chǎn)生微型的裂紋。正是由于存在原始裂紋，在結(jié)構(gòu)或材料受力狀態(tài)下會發(fā)生裂紋擴展，直至結(jié)構(gòu)破壞。因此斷裂問題成為研究的重點，這有利于斷裂力學(xué)的推動和發(fā)展［5，6］。

經(jīng)典斷裂力學(xué)給出了相應(yīng)的參數(shù)，比如斷裂韌性指數(shù)。這是在針對大量的實際工程以及利用數(shù)值分析計算后給出相應(yīng)的數(shù)值，它應(yīng)用于斷裂破壞的研究中，可以預(yù)測及控制斷裂產(chǎn)生，有利于完善斷裂理論，并可對裂紋擴展提供理論保障［7］。

4.2 裂紋擴展問題分析現(xiàn)狀

有限元方法是研究裂紋擴展問題的主要數(shù)值方法，現(xiàn)代力學(xué)計算特點是數(shù)據(jù)龐大、過程復(fù)雜，所以一般情況通過實驗、理論以及數(shù)值方法共同來解決此類問題［8］。用有限元法模擬裂紋擴展問題時，需要對材料進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小直接影響計算的精確度和速度。裂紋擴展的重點是尖端應(yīng)力場，將尖端設(shè)置為奇異性單元，這樣可以延續(xù)計算精確性，而且裂紋尖端四周網(wǎng)格加密，在計算過程中不斷改變，以這種方式盡量做到裂紋尖端處于計算過程中。因此網(wǎng)格劃分程序可以包括：1）新舊網(wǎng)格系統(tǒng)之間的傳遞；2）判別及再劃分畸變網(wǎng)格的準(zhǔn)則；3）合理的新網(wǎng)格生成系統(tǒng)［9］。

5 結(jié) 論

通過對埋地管道在跨越斷層情況下進行分析，利用ADINA軟件模擬了管道在含初始裂紋的情況下，管道的破壞情況。通過改變管道的壁厚、管徑、管土摩擦系數(shù)，得出對管道破壞情況的影響，模擬了管道在含初始裂紋時裂紋擴展過程。

a.管道的壁厚越大，其橫截面積越大，管道所能承受的荷載越大。綜合其他影響因素對管道破壞的影響，管道壁厚的影響相對較小，在保證管道安全的情況下，要結(jié)合實際情況選擇合適的壁厚。

b.管道的管徑不同，管道的應(yīng)力應(yīng)變值也不同。隨著管徑的增大，管道的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力有先增大后減小趨勢。所以選擇合適的管徑對管道的抗破壞能力有顯著影響。

c.工程應(yīng)用中，要選擇合適的管土摩擦系數(shù)，即當(dāng)管道原場地土不滿足合適的管土摩擦作用時，采用改變回填土的方法達(dá)到所需要的摩擦系數(shù)，從而提高管道抵抗破壞的能力。

d.模型模擬了管道在含初始裂紋時，管道的裂紋擴展的過程。由Fracture后處理計算得到J積分的斷裂力學(xué)結(jié)果，符合斷裂力學(xué)理論不同的回路積分守恒性。

［1］王春蘭，張 鵬，陳利瓊，等.腐蝕管道剩余強度評價的基本方法［J］.四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2003，35（5）：21－24.

［2］唐山市自來水公司.唐山市給水設(shè)施震害調(diào)查［G］.北京市政研究所，1976，11.

［3］鄒 蓉.地裂縫對地下管道的影響研究［D］.西安：長安大學(xué)，2010.

［4］姚曉利.45鋼材料Ⅰ－Ⅱ復(fù)合型斷裂的實驗研究［D］.西安理工大學(xué)，2008.

［5］康穎安.斷裂力學(xué)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，16（1）：39－42.

［6］王慰軍.基于ABAQUS的裂紋擴展仿真軟件及應(yīng)用［D］.浙江：浙江大學(xué)，2006.

［7］劉 莎，張 芳.基于 ANSYS有限元軟件裂紋擴展模擬［J］.化工裝備技術(shù)，2006，27（1）：54－57.

［8］Parks D M.On the Energy Release Rate and the J－integral for 3－D Crack Configurations［J］.Int Journal of Fracture，1982（19）：183－193.

［9］王 鵬.埋地管道破壞的裂紋擴展分析 ［D］.唐山：河北聯(lián)合大學(xué)，2011.

Analysis on Buried Pipeline Damage Finite Based on Cracks’Expansion

QIU Gang，ZHANG Yu－min
（College of Civil and Architectural Engineering，Hebei United University，Tangshan 063009，China）

Using the finite element software ADINA，simulation the initial cracks and other defects of the pipeline damage，while building the pipeline dimensional rupture model to determine the crack pipe location.Combining with the simulation results analysis and comparison can be drawn，a different angle faults affecting pipeline axial stress.ADINA in Fracture module can simulate two－dimensional finite element models of the actual cracks of propagations.This was established with initialing cracks defected and cracks propagations path have known two－dimensional planes strain models.The results showed that crack initiation and expanded on a circuit different J－integral to maintain good conservation，and the crack tip and ligament stress distribution area perfectly plastic materials comply with the simple small scale yielding theory.

crack propagation； buried pipeline；fracture mechanics

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.029

2013－12－20.

邱 剛（1966－），碩士.E－mail：z.whqlh＠163.com