淺談山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道強(qiáng)度研究

黃剛（中石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司聊城輸油處，山東 聊城 252000）

管道輸運(yùn)是重要的運(yùn)輸方式之一，同時(shí)埋地管道以成為長距離輸送原油、天然氣等介質(zhì)的重要舉措，但隨著管道鋪設(shè)量的逐漸增加，長輸埋地管道需要穿越各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，但考慮到地域地形的多變性，埋地管道不可避免的會(huì)遭受到地質(zhì)災(zāi)害所帶來的潛在威脅，，山體滑坡同樣是引起埋地管道失效的重要原因，如何有效的預(yù)測山體滑坡作用下埋地管道的承載力已被眾多學(xué)者予以廣泛關(guān)注。

1 山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道強(qiáng)度研究現(xiàn)狀

目前，部分學(xué)者已經(jīng)開始對于山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道強(qiáng)度失效的問題進(jìn)行了深入的研究工作，但主要是集中于斷層作用下，對于山體滑坡作用下的這一誘因的研究相對較少。同時(shí)部分開展的研究分析都沒有全方位的考慮幾何、和接觸的非線性，難以準(zhǔn)確的預(yù)測偏移后管道應(yīng)變軟化階段的承載能力。[1]雖對管道材料應(yīng)變軟化階段的力學(xué)響應(yīng)做過研究，但如果想要更深入的探討在山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道強(qiáng)度的強(qiáng)度失效機(jī)理，對發(fā)生偏移后管道上所發(fā)生的裂縫從萌生到斷裂的整個(gè)過程的全面描述是具有十分重要的價(jià)值意義的。[1]國外目前對于該領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有較為完善的經(jīng)驗(yàn)，但目前我國的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)工作還基本處于空白階段，急需建立起符合國情的安全評價(jià)方法，以此來為今后管道從設(shè)計(jì)到制造，從檢驗(yàn)到風(fēng)險(xiǎn)評估，都能有一個(gè)十分完善的技術(shù)支持。

2 山體滑坡作用下埋地管道承載能力分析

本文通過假設(shè)焊縫力學(xué)性能與管道木材相同，且土體的力學(xué)基本性能為線彈性，同時(shí)在山體滑坡的過程中，管道與周圍的土體偏移方向是沿著軸線方向呈多項(xiàng)式的分布。選用X65鋼和X100鋼來作為使用材料，應(yīng)變曲線如圖2-1所示。依據(jù)土體的性能取粘土層的基本參數(shù)，將變形模量設(shè)定為28MPa，泊松比設(shè)定為0.45。在計(jì)算中選取的管道直徑為813mm，其設(shè)計(jì)壓力為6.3mPa。同時(shí)在山體滑坡過程中，土體是推動(dòng)著管道同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。由于管道和周圍的土體會(huì)受到十分復(fù)雜的外力作用，基本很難用簡單的彎曲和剪切力來表示，所以對于有限元分析時(shí)滑坡作用力將采用位移載荷來進(jìn)行有效控制。

為了更好的驗(yàn)證有限元模型的有效性，不同有限元模型條件下的管道偏移的預(yù)測結(jié)果，本文采用非線性的穩(wěn)定算法來進(jìn)行計(jì)算，如圖2-2所示。

結(jié)果表明，當(dāng)有限元模型的預(yù)測結(jié)果不隨著網(wǎng)格密度的增加而出現(xiàn)變化時(shí)，那么就表明當(dāng)前的有限元網(wǎng)格密度能準(zhǔn)確的反映出模擬埋地管道在山體滑坡區(qū)域作用下的變形過程。但管道由于受到了周圍土體的推動(dòng)作用而相應(yīng)的產(chǎn)生了沿軸線方向的偏移，致使周圍的土體會(huì)對導(dǎo)管產(chǎn)生附加的作用力，同時(shí)管道將會(huì)在特定的山體滑坡區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。對管道在山體滑坡區(qū)域內(nèi)作用下的實(shí)效過程可以將表述為：山體滑坡作用促使管道與周圍土體發(fā)生了不均勻性的偏移，同時(shí)在變形的過程中導(dǎo)致了管道的具體出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力，隨著偏移程度的不斷加劇，應(yīng)力的效益將會(huì)越來越顯著，最終致使應(yīng)力超過管道材料的極限承載荷，導(dǎo)致管道失效。

一般埋地管道的最終失效的極限偏移會(huì)跟隨著滑坡區(qū)的寬度而增加，隨著內(nèi)壓的增加而逐漸減少。但同時(shí)管道的極限偏移會(huì)隨著內(nèi)壓的增加而呈現(xiàn)出對數(shù)衰減趨勢，這充分說明管道在發(fā)生小度偏移時(shí)，其承載能力的下降不明顯。如在內(nèi)壓小于設(shè)計(jì)壓力時(shí)，管道上的最大主應(yīng)變只會(huì)與土體和材料有緊密關(guān)系，應(yīng)將其作為工程采用應(yīng)變的重要依據(jù)。

非線性穩(wěn)定算法的計(jì)算效率較高，能夠清晰的描述出管道上裂縫萌生至斷裂的工程，技能滿足較好的數(shù)值穩(wěn)定性，又能保證較高的計(jì)算效率。[3]因此，在對山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道的強(qiáng)度分析，可以采用該算法來作為數(shù)據(jù)支持。同時(shí)XFEM的預(yù)測方法，也能很好的預(yù)測地管道發(fā)生失效時(shí)的極限偏移結(jié)果。

3 結(jié)語

總之，由于各地區(qū)的土地性能千差萬別，目前還上文形成一套統(tǒng)一的理論依據(jù)來對各地土體力學(xué)行為進(jìn)行準(zhǔn)確的反映。而本文的分析只是建立在原有的文獻(xiàn)資料之上，各方面的探討有所欠缺，粗淺不一。為了能夠更好的對土體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道的強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，還需大量的后續(xù)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和具體的實(shí)例研究，來深度完善相關(guān)資料的缺失，推動(dòng)土體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道的強(qiáng)度研究的進(jìn)一步深入發(fā)展。

[1]李又綠,徐文彬,陳華燕等.滾石沖擊作用下埋地高壓輸氣管道的可靠性分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012,08(4):29-33.

[2]閆東東.埋地原油腐蝕管道的剩余強(qiáng)度評價(jià)[J].電子測試,2014,(4):158-160.