水毀作用下管道有限元模擬及計算分析

張 翼

中石油貴州天然氣管網(wǎng)有限公司 貴州 貴陽 550023

1 引言

管道水毀災害是長輸管線中發(fā)生次數(shù)最多且分布地區(qū)最普遍的地質(zhì)災害。埋地管道產(chǎn)生懸空的主要原因是由于土體中水的作用或表面徑流的沖擊，從而導致表面覆土流失，而穿越河流的管道，則可能由于河流流速或方向的改變，導致其覆土缺失，產(chǎn)生懸空管道。由于水毀導致的管道懸空具有可預測、可加固以及可保護的特點，故研究水毀導致的管道懸空對管道維護工作具有指導作用且具有代表性。

2 管道有限元模擬分析

本文使用ANSYS對管道進行有限元分析。建模采用SOLID185單元模擬土體，土體本構模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，土體參數(shù)為彈性模量3.2 5*107Pa，泊松比0.4 ，內(nèi)聚力50000Pa，密度密度2000kg/m3，摩擦角20°。

采用SHELL181單元模擬管道，采用非線性面-面接觸模型模擬管-土相互作用，其中目標面單元采用TARGE170單元，接觸面單元采用CONTA174單元。管材物理力學性質(zhì)為管材型號為X80，密度7850 kg/m3，彈性模量207GPa，泊松比0.3 ，σ1為544MPa，E2為6210MPa，屈服強度555-675MPa。

天然氣管道外徑1016mm，壁厚15.3 mm，按設計壓力10MPa輸氣，輸氣時氣的質(zhì)量按計算得來的等效密度考慮到管道上，天然氣密度取85kg/m3。

災害體主要沿垂直于管軸方向發(fā)展，在地質(zhì)災害發(fā)生后形成。橫向懸管管道水平，兩端有土體，中部懸空，土體長度取為懸空管道長度一半?？紤]到對稱性，只建立一半模型。土體上表面和懸空自由面不約束，底面全約束，其他面除豎向位移外均約束。管道懸空中部對稱約束，另一端只約束軸向。

2.1 完全懸空

彈性極限懸空長度下的計算結果：懸空長度280m，最大von Mises應力535MPa，最大應變0.0 02667，最大豎向位移8.2 231m。

2.2 承受均布荷載

取覆土厚度2.5 m、2m、1.5 m、1m和0.5 m，達到彈性極限懸空長度時的計算結果如下。

在懸空長度較短時，相比于懸空，覆土均布壓力是影響管道受力和變形的主要因素，此時管道的最大von Mises應力和最大應變均位于懸空段中部上表面。而隨著懸空長度的增長，懸空則慢慢起到主導作用，最大位移則始終位于管道懸空段中部，也是豎向位移。

2.3 橫向懸管承受水流沖擊

管道在懸空且承受不同流速水流沖擊下達到彈性極限狀態(tài)時的計算結果如下。

隨著水流流速的增加，管道的最大von Mises應力、最大應變和最大位移均在增加。水流流速較低時（3m/s），該懸空長度下管道的應力水平很低，即低流速水流對懸空管道的沖擊影響很小。水流流速15m/s時管道的最大von Mises應力為551MPa，沒有超過管材最低屈服強度。隨著流速的不斷增加，管道所能承受的彈性極限懸空長度越來越小。

3 水毀作用下橫向懸管受力及計算分析

3.1 完全懸空

（1）懸空管段受力模型

水毀災害引起埋地管道的懸空管段可看作懸垂跨越管道，懸空管段兩端土壤受一個橫向的拉力H，管道內(nèi)輸送介質(zhì)和自重單位載荷q造成管道下垂，下垂高度為f。

圖1 懸空管段受力模型

（2）計算分析

天然氣管道的管材型號為X80，彈性模量E為207GPa，屈服強度為555MPa；管道管外徑D為1016mm，壁厚t有兩種分別為15.3 mm和18.4 mm；管道內(nèi)天然氣的密度約為85kg／m3。因此可以計算出壁厚15.3 mm時管道的重量產(chǎn)生的單位長度上的重力qP為3700.3 N／m，管道輸氣時的重力qP，0為6241.4 N／m；壁厚18.4 mm時管道的重量產(chǎn)生的單位長度上的重力qP為4436.3 N／m，管道輸氣時的重力qP，0為6945.5 N／m。

取懸空段長度L為280m，懸空深度為8m。計算輸氣工況時的受力分析。代入數(shù)值后求得壁厚為15.3 mm時，I為0.0 0602kg/m2；壁厚為18.4 mm時，I為0.0 0717kg/m2。

綜上，采用反復漸進計算方法計算出壁厚為15.3 mm時，上述懸空管段兩端的拉力H為1789.4 kN，則拉應力σ為551.8 MPa；壁厚為18.4 mm時，上述懸空管段兩端的拉力H為1943.4 kN，則拉應力σ為599.3 MPa。通過對相同管徑，不同壁厚的管道應力進行試算的結果可以看出隨著壁厚的增加，懸空管段兩端的拉應力也逐漸增加，壁厚為15.3 mm時，拉應力未超過屈服強度，而壁厚為18.4 mm時拉應力為599.3 MPa，已經(jīng)超過屈服強度，故當懸空段長度為280m時，壁厚為15.3 mm的鋼管可以承受其拉應力，而壁厚為18.4 mm的鋼管則有較高風險。

3.2 承受均布荷載

可見，隨著覆土厚度的增加，管道單位長度載荷不斷增加，其所能承受的最大懸空管道長度則逐漸減少。

3.3 橫向懸管承受水流沖擊

在水流的作用下，水下管道會產(chǎn)生懸空段。受水流沖擊時管道最大懸空長度Lcr計算公式如下：

式中：fn為懸空管段自振頻率，Hz；K為不同端點約束情況的系數(shù)；EI為管跨剛度，m；ms為管跨單位長度的質(zhì)量，它由管道自身的質(zhì)量m1、管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量m2組成。

3.3 .1 壁厚對管道最大允許懸空長度的影響

以管徑813mm為例，計算不同壁厚情況下，不同水流速度下管道能夠允許的最大懸空長度，計算結果如下。

根據(jù)計算可知，管道壁厚相同時，隨著流速的增加，管道所能承受的最大懸空長度逐漸減少；水流流速相同時，隨著壁厚的增加，管道所能承受的最大懸空長度逐漸增加；當流速、壁厚均相同時，輸氣工況下管道所能承受的最大懸空長度均小于未輸氣工況；壁厚對管道最大懸空長度的影響較小。

3.3 .2 管徑對管道最大允許懸空長度的影響

以壁厚8mm為例，計算管徑不同時，不同水流速度下管道能夠允許的最大懸空長度，計算結果如下。

綜上可知：管道管徑相同時，隨著流速的增加，管道所能承受的最大懸空長度逐漸減少；水流流速相同時，隨著管徑的增加，管道所能承受的最大懸空長度逐漸增加；當流速、管徑均相同時，輸氣工況下管道所能承受的最大懸空長度均小于未輸氣工況；管徑對管道最大懸空長度的影響要大于壁厚對其的影響。

通過對橫向懸管的最大懸空長度的理論計算，得出以下主要結論：（1）壁厚對橫向懸管最大懸空長度的影響較小，故在實際工程中壁厚的影響可以忽略。（2）管徑對橫向懸管最大懸空長度的影響較大，隨著管徑的增加，其能承受的最大懸空長度也逐漸增加，故在有水毀災害發(fā)生的管段，可適當加大管徑。（3）隨著水流速度的增加，管道能承受的懸空長度逐漸減少，這與有限元建模分析的結果一致，故有限元模擬結果符合理論依據(jù)。

由于實際管道所處環(huán)境的復雜性，本文僅得出了應力隨一些參數(shù)的變化趨勢，可以在之后的研究中逐步細化；本文對影響因素的分析僅為單因素分析，后續(xù)可進行多因素綜合分析討論。