占?jí)汉奢d下管道應(yīng)力定量評(píng)估及規(guī)律研究

馬曉強(qiáng)

摘 要：由于長輸管道線路長、經(jīng)過地區(qū)地質(zhì)情況和人文環(huán)境復(fù)雜，管道沿線地質(zhì)災(zāi)害或者第三方活動(dòng)等容易對(duì)管道造成占?jí)?。為定量評(píng)估占?jí)汉奢d作用下管道安全情況，需對(duì)占?jí)汉奢d作用下管道應(yīng)力進(jìn)行定量計(jì)算。另外，本文計(jì)算出了地面占?jí)狠d荷作用下長輸天然氣管道在不同情況下的應(yīng)力大小及變化規(guī)律，為管道保護(hù)工作提供了參考。

關(guān)鍵詞：天然氣；長輸管道；占?jí)汉奢d；應(yīng)力計(jì)算；安全評(píng)估

我國天然氣工業(yè)處在快速發(fā)展時(shí)期，天然氣管道建設(shè)里程不斷增加[1]。由于長輸管道線路長、經(jīng)過地區(qū)地質(zhì)情況和人文環(huán)境復(fù)雜，管道沿線地質(zhì)災(zāi)害或者第三方活動(dòng)等容易對(duì)管道造成占?jí)篬2]。對(duì)占?jí)汉奢d下管道應(yīng)力進(jìn)行定量計(jì)算可以模擬管道形變及應(yīng)力變化情況，準(zhǔn)確評(píng)估管道是否發(fā)生疲勞破壞或者應(yīng)力損傷，對(duì)管道完整性管理有著重要的意義。

1.管-土作用模型

目前工程上主要采用簡化的理想模型來模擬管道-土壤間的相互作用，比較常見的管道-土壤作用模型有：彈性地基梁模型、土彈簧模型和非線性接觸模型[3-5]。本文采用土彈簧模型 [6]。美國土木工程師協(xié)會(huì)ASCE《埋地管道設(shè)計(jì)手冊(cè)》給出了土壤等效為非線性彈簧的方法，通過計(jì)算土壤的受力-位移關(guān)系來確定土彈簧的特性參數(shù)[7]。

1.1 管道模型

對(duì)埋地管道進(jìn)行建模時(shí)，將埋地管道視為等徑、無腐蝕的鋼制圓管，忽略管道焊縫的影響。兼顧計(jì)算精度和計(jì)算量大小，利用四邊形板殼單元建立管道模型。板殼單元為4節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別有6個(gè)自由度，板殼單元厚度為管道壁厚。

1.2 土壤模型

根據(jù)美國土木工程師協(xié)會(huì)給出的方法，管道周圍土壤等效為在軸向、水平和豎直三個(gè)方向上的非線性彈簧，簡稱土彈簧。土彈簧一端約束全部自由度，一端連接管道單元節(jié)點(diǎn)，將土壤對(duì)管道的約束離散為在管道單元節(jié)點(diǎn)上三個(gè)方向的土彈簧約束，如圖1所示。軸向、水平、豎直方向上土彈簧的特性參數(shù)通過手冊(cè)給出的公式計(jì)算得出。

1.3 載荷加載

對(duì)于管道上方因?yàn)樗?、采礦等外力因素造成的占?jí)海粽級(jí)簤毫]有超過管道下方土壤的極限承載能力，占?jí)狠d荷簡化為均勻占?jí)?，占?jí)狠d荷為均布靜載荷；若占?jí)簤毫Τ^管道下方土壤的極限承載能力，占?jí)憾喂艿莱两祵?duì)兩側(cè)管道產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力，此時(shí)占?jí)狠d荷視為局部載荷。

2.管道占?jí)禾乩?jì)算

在本文中，選取某輸氣管道干線為計(jì)算對(duì)象，管道材料為X65鋼，彈性模量為207GPa，泊松比為0.3，取安全系數(shù)為0.72，管道屈服強(qiáng)度為432MPa[8]。計(jì)算管段長度為20m，管道外徑為711mm，管道壁厚為14.2mm，忽略管道外防腐涂層的影響。

某攪拌站由于在管道上方堆放石子形成占?jí)?，占?jí)何餅槎逊e石子，堆積高度為8m，管道埋深為2m，管道內(nèi)壓8.5MPa，管道壁厚14.2mm。將占?jí)菏又亓康刃閷?duì)地面的壓力，加載計(jì)算，計(jì)算出管道最大等效應(yīng)力為435MPa，已經(jīng)大于管道設(shè)計(jì)許用應(yīng)力432MPa，因此此處占?jí)盒璞M快治理。由于最大變形量為17.2mm，應(yīng)檢測防腐層是否脫落破損。

3.占?jí)呵闆r下管道應(yīng)力變化規(guī)律

3.1 占?jí)狠d荷對(duì)管道應(yīng)力的影響

管道內(nèi)壓分別取0MPa、4MPa和8MPa，埋深為2m，管周土壤為硬質(zhì)砂土，管道周圍砂土內(nèi)摩擦角為30°，分別取占?jí)狠d荷為0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa。管道應(yīng)力變化如圖3所示。由圖3知，在其他條件不變的情況下，管道最大等效應(yīng)力隨著占?jí)狠d荷的增加近似呈線性增加。

3.2 管道埋深對(duì)管道應(yīng)力的影響

隨著深度的增加，土壤對(duì)管道的力學(xué)特性發(fā)生變化，深度越深土壤對(duì)管道的作用力越大。同時(shí)，隨著埋深的增加，管道上覆土壤重量隨之增加，管道所受土壤壓力也增加。管道周圍為致密砂土，占?jí)狠d荷為0.1MPa時(shí)，管道運(yùn)行工況壓力分別為0MPa、4MPa和8MPa時(shí)，管道埋深對(duì)管道最大等效應(yīng)力變化的影響如圖4所示。

由圖4可知，隨著管道埋深的增加，管道最大等效應(yīng)力逐漸減小。因而，增加管道的埋深是管道保護(hù)的有效手段，在考慮管道施工成本的前提下應(yīng)盡量增加管道埋深。

3.3 土壤特性對(duì)應(yīng)力的影響

管道承受0.1MPa的占?jí)狠d荷，埋深為2m，在內(nèi)壓為8MPa的情況下，若管道周圍土壤為砂土，在不同內(nèi)摩擦角下，管道應(yīng)力變化情況如圖5所示，若管道周圍土壤為粘土，在不同粘聚力情況下，管道應(yīng)力變化情況如圖6所示。

由圖5知，砂土在致密和疏松情況下管道最大等效應(yīng)力相同，隨著內(nèi)摩擦角的增加，土壤對(duì)管道的約束能力增加，管道最大等效應(yīng)力呈指數(shù)減小。由圖6知，隨著粘聚力的增加，管道所受約束隨之增加，管道最大等效應(yīng)力呈指數(shù)減小。

對(duì)比圖5和圖6，致密砂土和疏松砂土的作用效果相同，因?yàn)樯巴恋闹饕匦詾閮?nèi)摩擦角，即砂土由于土壤顆粒之間的摩擦作用產(chǎn)生約束力，與土壤是否板結(jié)、致密沒有太大關(guān)系。硬質(zhì)粘土和軟質(zhì)粘土作用效果不同，因?yàn)檎惩恋闹饕匦詾檎尘哿?，即粘土?duì)管道的作用力主要是粘土分子之間的作用力，這種力和土壤的板結(jié)、致密程度為正相關(guān)。

4.結(jié)論

通過以上研究，本文主要得出以下結(jié)論：

（1）在不同占?jí)狠d荷情況下，隨著占?jí)狠d荷的增加，管道最大等效應(yīng)力線性增加，其中管道內(nèi)壓為0MPa時(shí)，隨著占?jí)狠d荷增加，管道最大等效應(yīng)力增加較快。

（2）對(duì)于淺埋管道，管道埋深是影響管道應(yīng)力的重要因素。管道在帶壓和不帶壓情況下，隨著管道埋深的增加，土壤對(duì)管道約束加強(qiáng)，管道最大等效應(yīng)力呈線性減小。

（3）不同土壤特性情況下，管道應(yīng)力變化也不相同。在砂土作用下，隨著內(nèi)摩擦角的增加，管道受到約束加強(qiáng)，最大等效應(yīng)力變小。致密砂土和疏松砂土作用效果相同。在粘土作用下，隨著粘聚力增加，管道受到約束加強(qiáng)，最大等效應(yīng)力變小。硬質(zhì)粘土和軟質(zhì)粘土作用效果不同，硬質(zhì)粘土對(duì)管道的約束效果要好。

參考文獻(xiàn)

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[5]劉仕鰲，蒲紅宇，劉書文等.埋地管道應(yīng)力分析方法[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，31.

[6]喻建勝，張鵬，彭星煜等.提高我國高強(qiáng)度輸氣管道設(shè)計(jì)系數(shù)研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009.

（作者單位：中國石油化工股份有限公司天然氣榆濟(jì)管道分公司）