黃土濕陷區(qū)長(zhǎng)輸管道暗懸長(zhǎng)度探析

王智博，劉小暉，羅士棣

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州　730060；2.中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司，蘭州　730060)

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黃土濕陷區(qū)長(zhǎng)輸管道暗懸長(zhǎng)度探析

王智博1，劉小暉2，羅士棣2

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州730060；2.中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司，蘭州730060)

統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)2014、2015年度管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，得到黃土濕陷最為發(fā)育，占災(zāi)害總量的58%。黃土濕陷形成的碟形地、裂縫、落水洞、陷穴、暗穴等輕則造成管區(qū)填土不均勻沉降或局部塌陷，重則導(dǎo)致管道出露或暗懸。長(zhǎng)距離暗懸管道，在自身重力和外加荷載作用下，可能發(fā)生彎曲變形、甚至斷裂，嚴(yán)重威脅管道運(yùn)營(yíng)安全。本次研究依據(jù)實(shí)際情況構(gòu)建管道暗懸受力模型，合理選取模型參數(shù)，計(jì)算得到在強(qiáng)度和撓度條件下暗懸管道的極限跨度依次為15.41 m、14.69 m，并確定管道的安全跨度9.54 m，為管道的應(yīng)急搶險(xiǎn)和安全運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)，為管道黃土濕陷災(zāi)害防治提供技術(shù)保障。

黃土濕陷；暗懸；極限跨度；安全跨度

本文選取在役管道1 260.68 km，2014年、2015年汛期共查明地質(zhì)災(zāi)害191處，其中河溝道水毀40處，坡面水毀28處，閥室問(wèn)題6處，黃土濕陷111處，滑坡6處，分別占21%、15%、3%、58%和3%，由上可以看出黃土濕陷是該段管道所遭受的主要地質(zhì)災(zāi)害。管道埋置于地表黃土地層1.5 m左右，在農(nóng)田灌溉、雨水沖刷等作用下，黃土極易發(fā)生濕陷，引發(fā)管道基礎(chǔ)不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使管溝土體流失，導(dǎo)致管道外露或暗懸。當(dāng)管道自身承載力不足時(shí)，管道會(huì)發(fā)生較大變形彎曲或者彎折破裂，造成管道無(wú)法正常使用，并影響管道安全運(yùn)營(yíng)和沿線油品供應(yīng)。

1　研究目的

本研究目的為：

(1) 確定管道暗懸的極限跨度

根據(jù)管道在運(yùn)營(yíng)中的使用條件，研究管道在管底土體沉陷、沖毀等支撐條件改變后，滿足安全運(yùn)營(yíng)需要的極限暗懸長(zhǎng)度(極限跨度)，并能準(zhǔn)確快速的計(jì)算出來(lái)。

(2) 確定管道的安全跨度

結(jié)合管道受力特點(diǎn)，針對(duì)管道可能的暗懸，確定其安全跨度，設(shè)置剛性支墩。

2　管道暗懸受力模型

2.1建模思路及參數(shù)

2.1.1建模思路

根據(jù)《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50459-2009)中5.1.3規(guī)定：跨越結(jié)構(gòu)分析所需的各種幾何尺寸，以及所采用的計(jì)算圖形、邊界條件、作用的取值與組合、材料性能的計(jì)算指標(biāo)、初始應(yīng)力和變形狀況等，應(yīng)符合跨越結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，并應(yīng)具有相應(yīng)的構(gòu)造保護(hù)措施。

本項(xiàng)目依據(jù)暗懸管道的約束條件、管道本體材質(zhì)、輸送介質(zhì)的參數(shù)等情況，分析管道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，確定地下管道在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布規(guī)律，實(shí)際狀況下管道暗懸段兩端為固定端約束，忽略活荷載等因素的影響，將管道簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算。分別通過(guò)強(qiáng)度和撓度條件計(jì)算暗懸管道在均布荷載作用下的極限跨度。

2.1.2模型參數(shù)

(1) 管徑：管道干線管徑為Φ508 mm。

(2) 壁厚：該處取管道的平均厚度，即9.9 mm。

(3) 黃土性質(zhì)：參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)中表5-1-9“我國(guó)西部四個(gè)城市濕陷性黃土的性質(zhì)指標(biāo)”中蘭州市的取值，覆土為黃土，密度ρ1=1.33 t/m3。

(4) 管道工作壓力：壓力是2016年4月8日14時(shí)17分，調(diào)度室的瞬時(shí)壓力為9.29 MPa。

(5) 輸送介質(zhì)密度：柴油密度0.81～0.84 t/m3；汽油密度0.73～0.74 t/m3；原油密度0.84～0.86 t/m3，故本文中油品密度按最不利的選取ρ2=0.85 t/m3。

(6) 管道材質(zhì)：管道材料為X60(L415)，鋼管容重：ρ3=7.85 t/m3；鋼材彈性模量：E=206×103N/mm2；鋼材線性膨脹系數(shù)α=12×10-6(1/℃)；X60(L415)的屈服強(qiáng)度為415 MPa。

2.2管道外力荷載

管道荷載主要包括：

(1) 管道周圍土壓力

土中應(yīng)力包含兩部分構(gòu)成，一部分為土中自重應(yīng)力和附加應(yīng)力，土的自重應(yīng)力是由土的自重所產(chǎn)生的應(yīng)力，附加應(yīng)力為作用在土層頂部表面的活荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力。對(duì)于地下2 m處管道，計(jì)算管頂土體自重應(yīng)力按土體豎直方向施加于管道上半部分外表面，管道上部土壓力可由q1=ρ1·H·D·g來(lái)計(jì)算，對(duì)于附加應(yīng)力，主要是土層頂部表面活荷載，作用力較小，文中忽略不計(jì)。

(2) 管道自重

管道自重根據(jù)管道材料的容重和體積，由q2=π·(D2-d2)/4·ρ3·g計(jì)算。

(3) 管道內(nèi)油品重

管道油品的重量根據(jù)管道內(nèi)部體積和輸送油品的密度，由q3=π·d2/4·ρ2·g計(jì)算。

2.3管道內(nèi)力條件

根據(jù)《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50459-2009)中 “6.2 管道強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算”中的規(guī)定：

(1) 管道輸送介質(zhì)的內(nèi)壓引起環(huán)向應(yīng)力

由材料力學(xué)知識(shí)，對(duì)僅承受工作壓力P、管道內(nèi)徑為d、壁厚為δ的圓形管道，其徑向截面上的拉應(yīng)力, 即管道輸送介質(zhì)的內(nèi)壓引起環(huán)向應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中，σh為管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力；d為管道內(nèi)徑；δ為管道壁厚；P為管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓。

(2) 管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力

式中，σal為管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力(MPa)。

(3) 管道的溫度變化引起的軸向應(yīng)力

式中，σat為溫度變化引起的軸向應(yīng)力；α為鋼管線性膨脹系數(shù)；E為鋼材彈性模量；Δt為溫差。

3　管道暗懸跨度的確定

3.1模型條件

(1) 分析模型

假設(shè)管道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中由于支撐土體的改變而出現(xiàn)了暗懸，暗懸僅出現(xiàn)在一個(gè)位置，如圖1。此時(shí)管道可看作是兩側(cè)無(wú)限彈性支承，而中間懸空L的單跨結(jié)構(gòu)。

圖1　管道暗懸示意

根據(jù)上述建模方式建立中間具有懸空長(zhǎng)度L的計(jì)算模型，施加工作壓力、土壓力、管道自重和油自重等外部荷載，計(jì)算懸空長(zhǎng)度L下管道的應(yīng)力，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2　管道暗懸分析模型

(2) 判別條件

為了確定管道暗懸的極限跨度，結(jié)合管道材料、相關(guān)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果特點(diǎn)，建立判別影響安全的使用的條件：

① 強(qiáng)度條件

管道在正常運(yùn)行狀況下為空間受力狀態(tài)，衡量其強(qiáng)度狀態(tài)的指標(biāo)是管道的屈服強(qiáng)度。結(jié)合《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50459-2009)中6.2.5規(guī)定，強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)滿足：

式中，F(xiàn)為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；σs為鋼管的屈服強(qiáng)度。

② 撓度條件

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)中3.5.1規(guī)定為了不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的正常使用和觀感。一般情況下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形的容許值見(jiàn)本規(guī)范附錄A的規(guī)定?！案戒汚結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的變形值中A.1受彎構(gòu)件的撓度容許值”規(guī)定平臺(tái)板的跨中撓度不應(yīng)大于受彎構(gòu)件跨度的1/150，即：

其中，f為最大豎向變形，L為懸空跨度。

在均布荷載作用下，根據(jù)管道自身材料特性，并結(jié)合強(qiáng)度和撓度判別標(biāo)準(zhǔn)，分別可得管道在強(qiáng)度和剛度條件下的極限跨度，為確保管道安全，取較小值作為管道暗懸的極限跨度Lmax。

3.2模型計(jì)算及分析

3.2.1以強(qiáng)度條件為準(zhǔn)的計(jì)算

(1) 外力計(jì)算

本計(jì)算以某段管道為例，管徑為508 mm，壁厚9.9 mm，壓力9.29 MPa，材質(zhì)X60。

① 豎向土壓力

q1=ρ1·H·D·g=1.33×2×0.508×0.98=13.24 kN/m

② 管道自重

q2=π·(D2-d2)/4·ρ3·g=3.14×(0.5082-(0.508-0.009 9×2)2)/4×7.85×9.8=1.19 kN/m

③ 管道內(nèi)油體自重

q3=π·d2/4·ρ2·g=3.14×(0.508-0.009 9×2)2/4×0.85×9.8=1.56 kN/m

(2) 內(nèi)力計(jì)算

① 管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力

管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力：

管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力：

σa1=0.5σh=0.5×229.06=114.53 MPa

式中，σal為管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力。

② 管道的溫度變化引起的軸向應(yīng)力

σat=αEΔt=1.2×10-5×2.06×105×20=49.44 MPa

③管道容許應(yīng)力

[σ]=Fσs=1.0×415=415.00MPa

式中，F(xiàn)為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，達(dá)到100%屈服強(qiáng)度，即設(shè)計(jì)系數(shù)取1.0；σs為鋼管的屈服強(qiáng)度。

④ 管道最大當(dāng)量應(yīng)力

根據(jù)《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50459-2009)中6.2.5規(guī)定：

強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)滿足σ≤Fσs，

所以管道最大當(dāng)量應(yīng)力σ=Fσs=415.00 MPa

⑤ 由荷載效應(yīng)組合引起的最大彎曲應(yīng)力

σa2=σ-σa1-σat=415.00-114.53-49.44=251.03 MPa

⑥ 管道最大懸空長(zhǎng)度

管道凈截面抵抗矩：

0.001 89 mm3

根據(jù)《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50459-2009)中6.2.2-2可得：

由荷載效應(yīng)引起的管道最大彎矩為

M=Wσa2=0.001 89×251.03×103=475.02 kNm

根據(jù)簡(jiǎn)支梁在均布荷載作用下彎矩公式：

即管道最大懸空長(zhǎng)度

3.2.2以撓度條件為準(zhǔn)的計(jì)算

管道截面慣性矩：

4.806×10-4m4

根據(jù)簡(jiǎn)支梁在均布荷載作用下跨中撓度公式：

綜上所述，對(duì)比管道在強(qiáng)度條件和撓度條件下得出的管道最大暗懸長(zhǎng)度，可得，該管道，管徑為508 mm，壁厚9.9 mm，壓力9.29 MPa，材質(zhì)X60，管道最大暗懸長(zhǎng)度為14.68 m。

根據(jù)《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50459-2009)中3.1.3關(guān)于設(shè)計(jì)系數(shù)的規(guī)定，本文暗懸為輸油管道小型乙類跨越，設(shè)計(jì)系數(shù)取0.65。所以，該管的安全跨度為9.54 m。

4　結(jié)論及建議

根據(jù)輸油管道的極限跨度的分析，在管道暗懸模型的基礎(chǔ)上，為了保障管道的正常工作，結(jié)論及建議如下：

(1) 該管道的極限跨度為14.68 m，在確保暗懸不影響管道正常運(yùn)營(yíng)情況下，建議設(shè)置剛性支墩的安全跨度為9.54 m。

(2) 加強(qiáng)地基的夯填、增強(qiáng)地基的整體剛度等，減少地基不均勻下沉。

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LOESS DISTRICT PIPELINE PROBE INTO THE DARK OVERHANG LENGTH

WANG Zhi-bo1,LIU Xiao-hui2, LUO Shi-di2

(1.Lanzhau Petrochemical College of Voational Tachnology,Lanzhou730060,China; 2.PetroChina Southwest Pipeline Company Lanzhou Branch of Oil and Gas Transmission,Lanzhou730060,China)

Statistical analysis of the study area in 2014 and 2015 geological disaster survey results get most loess collapsibility and development, accounting for 58% of the total disaster. Formation of loess collapsibility dish, cracks, water cave, sinkhole, hidden caves and other light caused district fill uneven settlement or partial collapse, to lead out or dark overhang. Long dark suspended pipeline, under its own gravity and imposed loads, you may bend or even break, serious threat to the safety of pipeline operation. This study based on the actual build pipeline dark force suspension model, choosing the model parameters obtained in intensity and dark of suspended pipeline under the condition of deflection limit span followed by 15.41 m, 14.69 m, and to determine the safety of pipeline span of 9.54 m, provide the basis for emergency rescue and security operations of the pipeline, pipeline loess subsidence disaster and provide technical support.

Collapsibility of loess; Hanging dark; Limit span; Safe span

1006-4362(2016)03-0096-04

2016-05-22改回日期：2016-07-05

甘肅省科學(xué)院青年科技創(chuàng)新基金(2013QN-12)、蘭州輸油氣分公司青年攻關(guān)活動(dòng)

P642

A

王智博(1988-)，女，碩士研究生，助教，主要從事環(huán)境保護(hù)方面的研究。E-mail:fengdediaolin@163.com