澳大利亞煤層氣高密度聚乙烯管道穿越道路穩(wěn)定性分析

秦 璇 宋代詩(shī)雨

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

煤層氣與常規(guī)天然氣組分大體相同,主要由95%以上的CH4組成,另外5%主要是CO2和N2[1-3],相較于常規(guī)氣,煤層氣中不含重?zé)N組分及H2S,氣質(zhì)組分好,同時(shí)采氣壓力、產(chǎn)氣量通常低于常規(guī)天然氣。地面集輸工程中煤層氣采氣管道考慮到煤層氣采氣特點(diǎn)及氣體中伴隨有大量排采液的情況,國(guó)際上常用高密度聚乙烯管道替代常用的金屬管道。

高密度聚乙烯管道是一種新型輕質(zhì)塑料管道[4-5],是聚乙烯管道的一種,具有質(zhì)量輕、耐高壓、韌性好、壽命長(zhǎng)、便于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn),常用于市政建設(shè)或海洋平臺(tái)排水管道,但是隨著高密度聚乙烯管道技術(shù)的發(fā)展和成本的降低,高密度聚乙烯管道已在煤層氣田得到應(yīng)用。由于煤層氣采氣井布井分散,高密度聚乙烯采氣管道距離較長(zhǎng),可能出現(xiàn)穿越道路的情況,通過對(duì)比中國(guó)和澳大利亞高密度聚乙烯管道穿越道路穩(wěn)定性計(jì)算方法,對(duì)高密度聚乙烯管道穿越道路進(jìn)行分析研究。

1 高密度聚乙烯管道穩(wěn)定性校核

1.1 中國(guó)管道穩(wěn)定性校核

與埋地金屬管道類似,埋地天然氣聚乙烯管道的穩(wěn)定性主要由外部受力評(píng)估得到,埋地管道既受周圍土壤壓力影響,又受路上車量載荷影響[6-7],但是聚乙烯燃?xì)夤艿老嚓P(guān)設(shè)計(jì)、驗(yàn)收規(guī)范中并沒有對(duì)聚乙烯管道的穩(wěn)定性分析做出詳細(xì)計(jì)算規(guī)定,僅規(guī)定了聚乙烯管道在車行道下埋深不小于0.9 m,非車行道(含人行道)下不得小于0.6 m[7-8]。規(guī)范通過管道埋深來滿足穩(wěn)定性的要求,確保聚乙烯管道敷設(shè)在車行道路下的安全。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,除遵循相關(guān)規(guī)范外,還需要對(duì)埋地聚乙烯管道按照GB 50332-2002《給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50332-2002)的要求對(duì)環(huán)向穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

環(huán)向失穩(wěn)是在外壓力作用下,聚乙烯管道的環(huán)向截面受壓屈服,環(huán)向穩(wěn)定性校核即對(duì)環(huán)向是否失穩(wěn)進(jìn)行判斷。目前中國(guó)規(guī)范中主要使用的環(huán)向失穩(wěn)計(jì)算公式有藤田博愛模型[9]和斯氏公式(以下簡(jiǎn)稱M-S公式)。根據(jù)GB 50332-2002對(duì)藤田博愛模型的說明,該模型不計(jì)管道周圍土負(fù)抗作用,即在使用該公式計(jì)算時(shí),不考慮土壤對(duì)聚乙烯管道的作用,雖然已有文章指出,采用藤田博愛模型計(jì)算后,只要滿足《聚乙烯燃?xì)夤艿兰夹g(shù)規(guī)程》中最小覆土厚度要求,聚乙烯管道的環(huán)向穩(wěn)定性即有安全保障[10]。但實(shí)際土壤載荷會(huì)對(duì)聚乙烯管道環(huán)向受力產(chǎn)生影響,故采用M-S公式再次進(jìn)行校核,而《埋地管道結(jié)構(gòu)力學(xué)》[11]、美國(guó)水工協(xié)會(huì)(AWWA)《鋼管設(shè)計(jì)與安裝指導(dǎo)手冊(cè)》(M 11)[12]、GB 50332-2002中柔性管道在組合力下的變形量公式均為M-S公式的變形式,計(jì)算時(shí)采用式(1)[9]。

(1)

式中:Wd,max為管道在組合作用下的最大豎向變形,同M-S公式中Δx,mm;Dl為變形滯后系數(shù),可取1.0～1.5,通常取1.0[13];Kd為管道變形系數(shù)，按管道敷設(shè)基礎(chǔ)中心角2α選用見表1[14];D為管道直徑,mm;φq為可變載荷的組合系數(shù)。通常取0.5[15];Sp為管材模量,MPa;Ed為土反力模量,MPa。Ed由試驗(yàn)確定,當(dāng)沒有資料時(shí),可按CECS 164:2004《埋地聚乙烯排水管管道工程技術(shù)規(guī)程》附錄C計(jì)算[14],Fsv,k為管項(xiàng)的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm；qvk為地面車輛輪壓傳遞到管項(xiàng)處的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm。

表1 管道變形系數(shù)表

Tab.1 Deflection coefficient of pipe

敷設(shè)基礎(chǔ)中心角2α/(°)20456090120150變形系數(shù)Kd0.1090.1050.1020.0960.0890.083

式(1)中Fsv,k按照式(2)計(jì)算,qvk按照式(3)計(jì)算。

Fsv,k=γsHsD

(2)

(3)

式中:γs為回填土重力密度,N/mm3，通常取1.8×10-5N/mm3[10];Hs為管頂至設(shè)計(jì)地面的覆土高度,mm;n為輪壓數(shù)量;ud為車輛載荷的動(dòng)力系數(shù)，按表2選用;Qvk為車輛單個(gè)輪壓標(biāo)準(zhǔn)值,N;a為單個(gè)車輪著地長(zhǎng)度,mm;b為單個(gè)車輪著地寬度,mm;dj為相鄰兩個(gè)輪壓間的凈距,mm。

表2 車輛載荷的動(dòng)力系數(shù)表

Tab.2 Dynamic coefficient of vehicle load

覆土深度/mm≤250300400500600≥700車輛載荷的動(dòng)力系數(shù)ud1.301.251.201.151.051.00

需注意,若在設(shè)計(jì)時(shí)缺少部分參數(shù),qvk及Ed的計(jì)算可參考GJBT-778(04 S 520)《埋地塑料排水管道施工》標(biāo)準(zhǔn)圖集中的要求[16]。

計(jì)算時(shí),根據(jù)管道外徑、管道埋深確定覆土高度,然后根據(jù)式(1)～(3)對(duì)Wd,max及Fsv,k核算組合作用下的最大豎向變形是否符合規(guī)范中規(guī)定進(jìn)行校核,最大豎向變形不應(yīng)超過0.05D0。

1.2 澳大利亞管道穩(wěn)定性校核

澳大利亞高密度聚乙烯管道穩(wěn)定性校核主要遵循AS 2566.1《埋地柔性管設(shè)計(jì)》(以下簡(jiǎn)稱AS 2566.1)[20]標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)柔性管道如聚乙烯管道、高密度聚乙烯管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性做出了具體規(guī)定,主要從屈曲應(yīng)力、擾度、受力三個(gè)方面對(duì)柔性管道的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算與分析。

1.2.1 柔性管道屈曲載荷計(jì)算

當(dāng)管道埋深大于等于管頂水面高度時(shí),根據(jù)AS 2566.1規(guī)定,柔性管道的屈曲分析應(yīng)將折斷荷載(buckling loads)與允許失穩(wěn)壓力相對(duì)比,折斷荷載必須小于允許失穩(wěn)壓力,否則埋地管道將失穩(wěn)。折斷荷載計(jì)算見式(4)。

+wq+qv

(4)

式中:Q為折斷荷載,N;γ為溝渠填充物或堤防填充物的評(píng)估單位重量,kN/m3,高密度聚乙烯管道推薦取值18.9 kN/m3[17];H為管道埋深,m;Hw為管道上方水面高度,根據(jù)地下水位不同,通常取0～1.2 m;γL為由于管道外液體造成的單位重量,推薦取值10 kN/m3[18];wgs為豎直方向上由于表面靜荷載而產(chǎn)生的,kPa,推薦取值0 kPa[18];De為管道外徑,m;wq為由于表面活動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷,kPa;qv為內(nèi)部真空度,kPa；γsub為由于土壤填充造成的載荷，kN/m3。

γsub由式(5)計(jì)算,wq由式(6)計(jì)算,同時(shí)計(jì)算時(shí),由于在煤層氣管道輸送中不考慮真空輸送情況,內(nèi)部真空度qv忽略不計(jì)。

(5)

(6)

α=1.4-0.15H

(7)

式中:ρs為土粒比值,推薦取值2.65[17];∑P為汽車輪壓之和,kN。

在計(jì)算wq即豎直方向上由于土壤造成的靜荷載時(shí),主要考慮汽車對(duì)管道的影響,計(jì)算模型見圖1。圖1中a為單個(gè)車輪著地長(zhǎng)度,b為單個(gè)車輪著地寬度。

圖1 車輛載荷分布圖Fig.1 Distribution of wheel or track loads

允許失穩(wěn)壓力主要分兩種,一種為基于管道沿線的允許失穩(wěn)壓力qall1,一種是基于管道與土壤之間的允許失穩(wěn)壓力qall2。根據(jù)AS 2566.1規(guī)定,在埋深大于 0.5 m 時(shí),取兩者的大值作為允許失穩(wěn)壓力,最終與折斷荷載比較,判斷埋地柔性管道是否失穩(wěn)。

(8)

(9)

式中:Fs為設(shè)計(jì)因素,推薦值為2.5;θ為泊松比,推薦取值0.4[19];E′為有效組合土模量，MPa；SDL為管道長(zhǎng)期抗彎剛度，N/m,按照式(10)計(jì)算,E′按照式(11)～(13)計(jì)算。

(10)

式中:EbL為長(zhǎng)期彎曲模量,MPa,取值見表3[17];I為管壁單位長(zhǎng)度截面慣性矩,mm3[20],I=t3/12,其中t為壁厚,mm;D為管道內(nèi)徑,mm。

表3 不同規(guī)格材質(zhì)長(zhǎng)期彎曲模量表

Tab.3 Long-term ring-bending modulus of different specifications and materials

規(guī)格材質(zhì)PE 63PE 80 BPE 80 CPE 100EbL/MPa110200205260

(11)

(12)

(13)

1.2.2 柔性管道擾度計(jì)算

(14)

式中:Δy為預(yù)計(jì)長(zhǎng)期的豎向撓曲(蠕變),m;K為土層系數(shù),取0.1[18];wg為豎直方向上由于土壤造成的靜荷載,kPa,按照式(15)計(jì)算。

wg=H×γ

(15)

表4 管側(cè)回填土和原狀土變形模量表

Tab.4 Deformation modulus of embedment soil and native soil

土壤類別不同回填土壓實(shí)系數(shù)管側(cè)變形模量/MPa不同原狀土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)撞擊次數(shù)管側(cè)變形模量/MPa85%90%95%100%450砂礫、卵石層771014771014砂礫、砂卵石細(xì)粒土含量不大于12%3571435714砂礫、砂卵石細(xì)粒土含量大于12%1351013510黏性土或粉土砂礫含量大于25%1351013510黏性土或粉土砂礫含量小于25%—137—137

表5 不同管道外徑管溝壁與管道中心線距離表

Tab.5 Width of trench or embedment measured at the spring line

管道外徑De/mm75≤De≤150150

表6 無壓力管道允許長(zhǎng)期的豎向撓曲(蠕變)與管徑百分比表

Tab.6 Percentage of allowable Long-term vertical pipe deflection and pipe diameter for nonpressure pipe

規(guī)格材質(zhì)PE 63PE 80 BPE 80 CPE 100ΔyallD/(%)7.57.57.57.5

1.2.3 柔性管道受力計(jì)算

埋地管道同時(shí)受外力(如土壤壓力、車載壓力)和內(nèi)力作用,對(duì)于高密度聚乙烯管道的穩(wěn)定性分析,還需要對(duì)受外力、內(nèi)力和聯(lián)合載荷情況分別進(jìn)行計(jì)算。

1.2.3.1 外部受力

外部受力主要指受拉力,需要滿足εb≤εball,根據(jù)AS 2566.1規(guī)定,高密度聚乙烯管道εb取值為4.0%,而εb按照式(16)計(jì)算：

(16)

式中:t為管道壁厚,mm;Df為形狀因數(shù),按照式(17)計(jì)算。

(17)

1.2.3.2 內(nèi)部受力

高密度聚乙烯管道內(nèi)部受力主要是流體給管壁施加的壓力,需要滿足Pw≤Pall的要求,Pw為管道內(nèi)部工作壓力,即設(shè)計(jì)中的操作壓力,Pall為管道的最高操作壓力,可以按照APIA CoP Version 3第4.3.5內(nèi)公式計(jì)算[21],也可以根據(jù)設(shè)計(jì)壓力取值。

1.2.3.3 聯(lián)合載荷

AS 2566.1對(duì)管道受復(fù)合作用力進(jìn)行了規(guī)定,具體見式(18):

(19)

式中:Pw為管道內(nèi)部工作壓力,MPa;ηp為繞應(yīng)變的安全系數(shù);ηb為內(nèi)壓安全系數(shù);η為受內(nèi)外力同時(shí)作用時(shí)的安全系數(shù)。ηp、ηb、η取值見表7[16]。

表7 同規(guī)格材質(zhì)安全系數(shù)表

Tab.7 Safety Factors

安全系數(shù)規(guī)格材質(zhì)PE 63PE 80 BPE 80 CPE 100ηp1.251.251.251.25ηb2.02.02.02.0η1.251.251.251.25

2 實(shí)際算例分析

根據(jù)澳大利亞某天然氣內(nèi)部集輸工程的實(shí)際情況,經(jīng)計(jì)算,在工程中主要采用了SDR 21高密度聚乙烯管道,假設(shè)地面載荷不大于16 t,汽車單個(gè)輪著地長(zhǎng)度和寬度分別為0.2、0.5 m;土壤參數(shù)按照保守參數(shù)En=1 MPa,Ee=3 MPa計(jì)算,分別對(duì)PE 90～PE 200常用管道進(jìn)行校核,具體參數(shù)見表8。

根據(jù)AS 2566.1規(guī)定,澳大利亞高密度聚乙烯管道穿越道路時(shí)最小埋深750 mm,因此在進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),為了計(jì)算分析更可靠,覆土深度采用AS 2566.1規(guī)定的最小埋深750 mm。

在不考慮管道上方有水(即Hw=0)，得到表9計(jì)算結(jié)果。

表8 澳大利亞某高密度聚乙烯管道參數(shù)

Tab.8 Inputs of one Australia’s HDPE pipeline inputs

外徑/mm壁厚/mm操作壓力/MPa最高操作壓力/MPa904.30.40.481105.30.40.481256.00.40.481406.70.40.482009.60.40.48

表9 SDR 21管道按照AS 2566.1核算結(jié)果表

Tab.9 Calculation results based on AS 2566.1

管徑/mm壁厚tmin/mmqall/kPaq/kPaΔyallD/(%)ΔyD/(%)εballεb/(%)1/η計(jì)算值904.386.5952.497.54.04.00.70.80.741105.382.0352.717.54.04.00.70.80.751256.078.8052.877.54.24.00.70.80.751406.776.2553.037.54.34.00.70.80.752009.677.4653.697.54.34.00.70.80.75

從上述計(jì)算結(jié)果可以得出,對(duì)于滿足最小埋深750 mm要求的高密度聚乙烯管道穿越道路時(shí),在屈曲載荷校核、擾動(dòng)(蠕動(dòng))校核和受力校核時(shí)都是安全可靠的。

同時(shí)采用中國(guó)GB 50332-2002計(jì)算,其余管徑、壁厚、埋深等參數(shù)不變,環(huán)剛度按照SN 8計(jì)算,Kd按90°計(jì)算,結(jié)果見表10。

表10 SDR 21管道按照GB 50332-2002核算結(jié)果表

Tab.10 Calculation results based on GB 50332-2002

管徑/mm最小壁厚t/mm環(huán)向變形Wd最大值/mm環(huán)向變形比值/(%)904.32.52.781105.33.12.801256.03.52.811406.74.02.822009.65.62.82

3 結(jié)論

對(duì)澳大利亞煤層氣高密度聚乙烯輸氣管道穿越道路分別采用AS 2566.1、GB 50332-2002標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算穩(wěn)定性,得出以下結(jié)論:

1)中國(guó)高密度聚乙烯管道應(yīng)用于天然氣工程時(shí),缺少對(duì)管道穩(wěn)定性校核的相關(guān)規(guī)范,按照GB 50332-2002計(jì)算,主要采用M-S公式對(duì)環(huán)向穩(wěn)定性進(jìn)行了校核,與AS 2566.1中屈曲載荷的計(jì)算基本類似,但AS 2566.1還同時(shí)從蠕變和受力方面進(jìn)行分析,相對(duì)考慮因素更全面。

2)按照AS 2566.1最小埋深要求,采用AS 2566.1和GB 50332-2002方法,對(duì)管道進(jìn)行校核,均能滿足強(qiáng)度要求,而GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定埋深要求大于AS 2566.1要求,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)保守。

3)澳大利亞高密度聚乙烯管道穩(wěn)定性計(jì)算中有大量關(guān)于土壤的參數(shù),這些參數(shù)均不是純粹的材料特性,不能由公式求得,而且在不同地質(zhì)情況下,具體參數(shù)會(huì)有所變化,對(duì)實(shí)際計(jì)算分析會(huì)造成一定影響。

4)按照澳大利亞天然氣管道穩(wěn)定性計(jì)算方法應(yīng)用的情況顯示,對(duì)于穿越道路的管道,在滿足最小覆土深度為750 mm,同時(shí)不考慮潛在埋深減小的前提下,各種尺寸的高密度聚乙烯管道均將不會(huì)失穩(wěn)。