埋地輸氣管道落石沖擊響應(yīng)的試驗(yàn)研究

馬文江　李海勝

摘要：隨著管道工業(yè)的發(fā)展，管道安全性也越來(lái)越受到重視，落石沖擊等第三方破壞已逐漸成為埋地管道失效破壞的主要因素。關(guān)于落石沖擊作用下埋地管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬研究較多，而試驗(yàn)方面的研究特別是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并不多見(jiàn)。首先搭建可用于落石沖擊下埋地管道動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)研究的試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)而基于此試驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)埋地輸氣管道在不同高度下的落石沖擊響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。研究表明，隨著落石高度的增加，落石沖擊時(shí)間稍有增加，管道應(yīng)變及沉降量逐漸增加，在落石能量約為56.84 kJ時(shí)，管道頂面落石沖擊點(diǎn)區(qū)域附近出現(xiàn)塑性變形。相關(guān)結(jié)果可以為輸氣管道的安全鋪設(shè)及安全評(píng)估提供參考。

關(guān)鍵詞：落石沖擊；輸氣管道；結(jié)構(gòu)安全性；試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2018）09-0023-06

0引言

自1959年我國(guó)建成第一條長(zhǎng)距離輸油管線（新疆克拉瑪依至獨(dú)山子段輸油管道）以來(lái)，經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展建設(shè)，我國(guó)管道事業(yè)已逐步達(dá)到當(dāng)代國(guó)際先進(jìn)水平。但是隨著管道工業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)埋地管道的故障率也是略高于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家阿。影響管道安全的因素主要有：設(shè)計(jì)、施工缺陷、第三方破壞、腐蝕、自然災(zāi)害以及誤操作等方面。其中，落石沖擊等第三方破壞已逐漸成為埋地管道失效破壞的主要因素。特別是在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育地區(qū)，埋地管道易受到崩塌落石的沖擊作用，從而發(fā)生破壞失效。因而，近年來(lái)，落石沖擊下埋地管道破壞機(jī)理以及防護(hù)愈加受到關(guān)注。

崩塌落石對(duì)埋地管道的危害主要是由于崩塌落石對(duì)管道產(chǎn)生沖擊載荷，管道因落石對(duì)其上方土體產(chǎn)生的瞬間沖擊力和落石重力而產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)管道許用安全極限應(yīng)力時(shí)，管道發(fā)生變形失穩(wěn)破壞川。對(duì)于崩塌落石對(duì)埋地管道的危害性，國(guó)內(nèi)外已有多方面研究，特別是最近二十年來(lái)崩塌落石危害性受到越來(lái)越多的關(guān)注。在數(shù)值模擬分析方面，王磊等通過(guò)結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)和概率統(tǒng)計(jì)分析，并采用Rockfall軟件對(duì)危巖運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了模擬，并比較計(jì)算了兩種落石沖擊力計(jì)算方法。鄧學(xué)晶等采用離散元軟件3DEC對(duì)落石沖擊埋地管道進(jìn)行了數(shù)值模擬，考察了影響管道表面最大土壓力和管道變形的主要因素——落體質(zhì)量和沖擊速度的影響。邢義鋒等利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，考慮多方面影響因素對(duì)落石沖擊過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了管道響應(yīng)規(guī)律。而與之相比，落石沖擊試驗(yàn)方面研究?jī)?nèi)容則較少。楊其新等采用小比尺的模擬棚式明洞，通過(guò)重錘自由下落到土槽的試驗(yàn)方法，找出了落石對(duì)具有不同厚度填土緩沖層的明洞產(chǎn)生沖擊力的變化規(guī)律，提出了計(jì)算落石沖擊力的試驗(yàn)式。張瑜等對(duì)隧道逃生管道進(jìn)行了橫向沖擊荷載的室外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，研究了落石-管道-砂墊層系統(tǒng)中沖擊能量與變形模態(tài)、凹陷變形之間的關(guān)系，但是該試驗(yàn)只是針對(duì)管道在沖擊載荷下的變形，未考慮土體與管道的相互作用影響。Prisco等為研究土體-管道的縱向相互作用關(guān)系而進(jìn)行了小規(guī)模室內(nèi)平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，獲得了不同方向激勵(lì)下不同相對(duì)深度的管道側(cè)向相應(yīng)響應(yīng)曲線。但是對(duì)于實(shí)際崩塌落石沖擊來(lái)說(shuō)，沖擊過(guò)程具有沖擊能量大、作用時(shí)間短、相互作用復(fù)雜等特點(diǎn)，室內(nèi)試驗(yàn)等方法難以準(zhǔn)確模擬實(shí)際沖擊過(guò)程。因而，為研究管道-土體相互作用關(guān)系，獲得準(zhǔn)確可靠的落石沖擊相關(guān)數(shù)據(jù)，室外現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)必不可少。

基于上述原因，本文參照淺埋輸氣管道實(shí)際服役環(huán)境搭建了室外現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)該試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了不同落石高度條件下的落石沖擊試驗(yàn)，得到了不同狀態(tài)下管道垂直位移量及管道不同位置應(yīng)變量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。研究結(jié)果可為進(jìn)一步研究崩塌落石對(duì)埋地管道的影響提供技術(shù)儲(chǔ)備和數(shù)據(jù)支持

1試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)原理

崩塌落石是陡峭斜坡上個(gè)別危巖因某種原因脫離巖體，以?xún)A倒、滾動(dòng)或跳躍等方式向坡下運(yùn)動(dòng)的一種動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象。崩塌落石墜落地面時(shí)，具有較大沖擊速度，并與水平面成一定角度，即崩塌落石具有較大沖擊力。

試驗(yàn)通過(guò)模擬埋地管道實(shí)際服役環(huán)境，在不同落石高度下對(duì)管道進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量埋地管道的位移量和應(yīng)變量，對(duì)沖擊作用下管道的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究。試驗(yàn)原理示意圖如圖1所示。

落石對(duì)地面土體具有較大沖擊作用，沖擊力經(jīng)土體緩沖，通過(guò)管道-土體之間的相互耦合作用，對(duì)管道產(chǎn)生不均勻分布力，致使管道發(fā)生損傷變形。隨著沖擊作用的結(jié)束，在管道自身彈塑性及土體彈塑性的相互作用下，管道變形會(huì)發(fā)生部分不完全復(fù)位，即當(dāng)沖擊能量足夠大時(shí)，管道的最終變形量不僅包括塑性變形，還包括部分彈性變形。管道在沖擊作用下的變形主要分為兩部分：1）管道整體的彎曲變形；2）管道在沖擊熱點(diǎn)區(qū)域的局部變形。相對(duì)來(lái)說(shuō)，管道局部彎曲變形有可能會(huì)成為管道破壞的主要因素。

1.2試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)描述

此次落石沖擊現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)為室外試驗(yàn)。試驗(yàn)管道為大直徑薄壁圓管——Q235螺旋縫埋弧焊鋼管。管道長(zhǎng)度為6.5m，外徑為630mm，壁厚為5.5mm。經(jīng)拉伸試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)管道用鋼彈性模量為205 GPa，屈服應(yīng)力為267 MPa。試驗(yàn)時(shí)管道埋深0.5 m。

由于石塊不宜起吊等原因，試驗(yàn)中采用落錘作為沖擊物，由吊車(chē)起吊和釋放。落錘為自行設(shè)計(jì)，底部有較小弧度突起，模擬落石突起表面。落錘高度1.0m，直徑0.7 m，總質(zhì)量為1.45 t。試驗(yàn)中落錘自由落體墜落，從1m到7 m高度落錘每提高1m，進(jìn)行一次自由落體沖擊試驗(yàn)，共進(jìn)行7次試驗(yàn)。

為了研究埋地管道不同部位在落石沖擊作用下的響應(yīng)規(guī)律，試驗(yàn)時(shí)對(duì)管道多處位置的垂直位移量和應(yīng)變量進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。管道應(yīng)變量的測(cè)量采用13組電阻式應(yīng)變片，在管道頂面和底面不同位置對(duì)管道軸向應(yīng)變進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)量點(diǎn)如圖2和圖3所示。管道底面編號(hào)7對(duì)應(yīng)管道頂面沖擊區(qū)域。

管道垂直位移的測(cè)量采用了3組CW-YB-30型號(hào)位移傳感器，其量程為30mm，準(zhǔn)確度為0.1mm。對(duì)管道底面不同位置的垂直位移量進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，垂直位移測(cè)量點(diǎn)如圖4所示。管道底面編號(hào)14對(duì)應(yīng)管道頂面沖擊區(qū)域。

管道的數(shù)據(jù)采集采用JM5930型號(hào)動(dòng)態(tài)應(yīng)變振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)時(shí)信號(hào)采集頻率8 kHz，其應(yīng)變測(cè)量范圍為0～50000 με，準(zhǔn)確度為1%。該系統(tǒng)在精度、可靠性、兼容性、工程適應(yīng)性以及可擴(kuò)充性等方面均有較好特性。用于管道應(yīng)變測(cè)量的應(yīng)變片為電阻式應(yīng)變片，型號(hào)為BX120-10 AA，標(biāo)稱(chēng)電阻（119.5±0.1）Ω，靈敏系數(shù)2.08±1%。應(yīng)變振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和電阻式應(yīng)變片的測(cè)量精度直接影響著試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因而試驗(yàn)前需對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試并對(duì)測(cè)量應(yīng)變片進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于此落石沖擊現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)淺埋輸氣管道在不同落錘高度下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)測(cè)得管道相關(guān)數(shù)據(jù)均是在管道無(wú)內(nèi)壓，埋深0.5m的條件下進(jìn)行采集。落錘高度從1 m開(kāi)始逐漸增加，每進(jìn)行一次試驗(yàn)之后對(duì)沖擊點(diǎn)的覆土進(jìn)行平整，接著進(jìn)行下一個(gè)高度的沖擊試驗(yàn)。

應(yīng)變測(cè)量時(shí)4通道數(shù)據(jù)失真不予采用，在落錘高度分別為2m和4m時(shí)，管道不同測(cè)點(diǎn)的軸向應(yīng)變量和垂直位移量的時(shí)間歷程分別如圖5和圖6所示。

圖5（a）給出了管道頂面各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)間歷程，可以看出，在2 m高落錘沖擊的瞬間，各點(diǎn)應(yīng)變迅速增加并達(dá)到峰值，峰值應(yīng)變?yōu)?18με，即峰值應(yīng)力為147 MPa。隨著沖擊過(guò)程的發(fā)展，各點(diǎn)應(yīng)變迅速減小，并逐漸緩慢振蕩至平衡位置。整個(gè)沖擊過(guò)程歷時(shí)約0.13 s，由于沖擊能量較小，管道變形基本上為彈性變形，因此各測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)變較小，殘余應(yīng)變最大值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)l，即沖擊點(diǎn)位置附近，約為80 με，該殘余應(yīng)變可能是由于落錘靜載作用及土體的塑性變形引起的。與此同時(shí)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各個(gè)測(cè)點(diǎn)均處于壓應(yīng)變狀態(tài)，這是因?yàn)槁溴N沖擊后管道向下凸起，因此管道上表面各點(diǎn)受壓。圖5（b）給出了管道底面各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)間歷程，與頂面各測(cè)點(diǎn)相反，底面各測(cè)點(diǎn)均處于拉伸狀態(tài)。其最大值出現(xiàn)在正對(duì)沖擊點(diǎn)的7測(cè)點(diǎn)為155με，應(yīng)力約為32 MPa。圖5（c）給出了3個(gè)位移傳感器的管道豎直位移試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，在落錘沖擊作用下，管道同樣在垂直方向產(chǎn)生一定位移，其最大值為2.5mm。并隨著沖擊作用的結(jié)束，垂直位移量產(chǎn)生振蕩，并很快衰減達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。由管道垂直位移響應(yīng)曲線可看出，管道3處測(cè)量點(diǎn)垂直位移并不相同，這是由兩個(gè)原因造成的：1）此時(shí)測(cè)得管道垂直位移量不僅包括管道在沖擊作用下的整體沉降量，還包括管道的彎曲變形量，即測(cè)得管道垂直位移量為管道沉降和彎曲變形共同作用的結(jié)果；2）落錘沖擊點(diǎn)誤差，即沖擊作用點(diǎn)有所偏移，并不在預(yù)計(jì)管道頂面正中心位置。值得注意的是，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，編號(hào)4的傳感器沒(méi)有有效數(shù)據(jù)輸出，因此在圖5（a）中并未給出編號(hào)4的測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖6（a）給出了落錘高度為4 m時(shí)管道頂面各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)間歷程，可以看出，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)間歷程與2 m高度時(shí)結(jié)果完全不同。隨著沖擊過(guò)程的開(kāi)始，各點(diǎn)應(yīng)變迅速增加到極值，之后各點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)各不相同。測(cè)點(diǎn)1和3也即落錘沖擊點(diǎn)附近應(yīng)變稍有減小即趨于穩(wěn)定，其應(yīng)變穩(wěn)定值分別為24 836με和4 314με，換算成應(yīng)力都已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出管道材料的屈服應(yīng)力，這表明，在4 m高度落錘沖擊下在沖擊點(diǎn)附近管道已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的塑性變形，此時(shí)的沖擊能量為56.84 kJ。而遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)的其它測(cè)點(diǎn)無(wú)論是應(yīng)變峰值還是穩(wěn)定值都比較小，基本在836 με左右，也即171 MPa，還處于彈性狀態(tài)。圖6（1））給出了落錘高度為4m時(shí)管道底面各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)間歷程，可以看出，其變化規(guī)律同2 m高度時(shí)基本一致，都是先增加后減小到接近于0的穩(wěn)定值，其應(yīng)變峰值為440με左右，也即90 MPa，這表明管道底面還處于彈性狀態(tài)。圖6（c）給出了4 m落錘高度時(shí)管道豎直位移量的試驗(yàn)結(jié)果，比較不同落錘高度下管道垂直位移量時(shí)間歷程可以看出，隨著落錘起落高度的增加，管道在不同落錘高度下的垂直位移量最值也有所增大且持續(xù)時(shí)間也有所增長(zhǎng)，這是由于落錘沖擊能量增加的原因；另外，管道3處測(cè)點(diǎn)垂直位移量相對(duì)大小關(guān)系也有所不同，這是由于落錘沖擊點(diǎn)偏差引起的。

表1進(jìn)一步分別給出了在不同落錘高度沖擊下各個(gè)位移測(cè)點(diǎn)的最終豎直位移量。

落石沖擊試驗(yàn)過(guò)程為累積試驗(yàn)，即每一落錘高度沖擊過(guò)程均是在前一落錘高度沖擊過(guò)程結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。這也就造成了試驗(yàn)中土體和管道變形的累加性。因而，在落錘高度較大時(shí)，個(gè)別測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變量和管道沉降量與沖擊過(guò)程邏輯結(jié)果不相符。在數(shù)值模擬分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)選取適當(dāng)落錘高度下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參照。落石沖擊試驗(yàn)數(shù)值模擬以落錘高度2 m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參照。

3結(jié)束語(yǔ)

1）結(jié)合淺埋輸氣管道實(shí)際服役環(huán)境，自主搭建了用于研究管道落石沖擊下響應(yīng)規(guī)律的試驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò)此試驗(yàn)平臺(tái)，獲得了不同落石高度下管道的響應(yīng)規(guī)律。

2）落石沖擊作用下，管道的損傷變形主要是由管道的局部變形引起的，管道整體的彎曲變形影響較?。还艿来怪蔽灰苿t主要是由管道沉降引起的，管道變形對(duì)其影響較小。

3）隨著落石沖擊能量的增加，管道變形量及沉降量也會(huì)有所增加，且沖擊作用持續(xù)時(shí)間也會(huì)增加，會(huì)在埋地管道中產(chǎn)生塑性變形。在沖擊能量超過(guò)56.84 kJ之后，管道會(huì)出現(xiàn)較大面積的塑性變形，結(jié)構(gòu)存在較大的安全隱患。

4）所得試驗(yàn)結(jié)果可為進(jìn)一步研究淺埋輸氣管道落石沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律提供數(shù)據(jù)支持，并為輸氣管道的安全鋪設(shè)和防護(hù)堤供參考。