洪水對穿河天然氣管道載荷影響研究

王磊 趙志超 蔡強

中國石化重慶天然氣管道有限責任公司

長距離油氣輸運管道不僅常受到洪水、滑坡、泥石流的影響，因氣候多變，還會受到降雨或融雪的影響。特別是山區(qū)河流，河道里會迅速形成流速極大的洪水，對管道的安全造成威脅。一旦管道發(fā)生破壞，不僅影響能源供應，威脅國家能源安全，而且會造成經濟損失和能源浪費，此外，破壞的運輸管道里泄露的石油、天然氣也會對河流、大氣造成不良影響，如2010年8月，蘭成渝管道由于潰壩引發(fā)管道懸空[1-2]。管道跨河有懸跨和穿越兩種方式：懸跨即從河床以上直接過河；穿越即管道從河床下方穿過。其中穿越河流的方式，一旦受到大流量的高速洪水沖擊，管道將承受豎向的浮力和水平向的水壓力，當輸氣管道所受荷載超出材料受力極限時，管道將被破壞。因此，關注管道在不同洪水流量下所受荷載對于管道安全性評估具有重要意義。

1 國內外研究現狀

在工程實踐中，人們逐漸認識到了洪水對跨河管道的危害，國內學者開始對跨河管道的設計埋深進行探討。1998年，黃金池等[3]歸納總結了我國石油管線穿河工程的水工保護存在的一些問題。2010 年，王曉霖等[4]建立了洪水管道力學模型，推導出管道空間變形曲線方程和變形協調方程。2012 年，徐濤龍等[5]利用ANSYS Multiphysics 軟件建立河床-管道-水流三維有限元模型，提出了穿河管道臨界懸空長度計算的數值方法。2015 年，白路遙等[6]基于現有河床沖刷深度計算經驗公式建立了更適用于計算黃河段河床沖刷深度的計算模型。2015 年，DUAN Qingquan 等[7]人利用非線性有限元方法研究浮管的應力應變，在管土耦合力學模型的基礎上建立了含缺陷的管道力學模型。

2 分析方法

隨著計算機技術的快速發(fā)展，大規(guī)模的數值計算成為可能，計算流體動力學應運而生。其基本思想可以概括為：用一系列離散點代替原本在時間空間上都連續(xù)的物理場，然后按一定的原則建立關于這些離散點變量間的方程組，求解方程組以得到物理場變量的近似解，只要離散點的數量足夠大，方程組的解可以代表物理場的變量[8]。求解關于離散點變量的方程就是求解流體力學控制方程，控制方程包括質量守恒方程（公式1）、動量守恒方程（公式2）、能量守恒方程（公式3）、組分守恒方程（公式4）（針對多種化學組分的流體）。

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；u、v、w為速度矢量在x、y、z方向的分量，m/s。

式中：p為流體微元體上的壓力，Pa；μ為動力黏度，Pa·s；fx、fy、fz為流體微元體x、y、z方向的質量力，m/s2。

式中：cp為比熱容，J/(kg·℃)；T為溫度，℃；K為流體的傳熱系數，W/(m2·℃)；ST為流體的內熱源及由于黏性作用流體機械能轉化為熱能的部

式中：cs為組分s的體積濃度，mL/m3；ρcs為該組分的質量濃度，kg/m3；Ds為該組分的擴散系數，m2/s；Ss為該組分的生產率。

3 實例分析

某輸氣管道從河床下方穿越河流，管道直徑1 m，管頂埋深1 m，采用大開挖方式穿過河流，位于沿河流方向429 m 處，與河流成90°角。假設若干年后河床由于沖刷下切2.5 m，因管道直徑為1 m，埋深為1 m，故管道懸空高度為0.5 m。以此為基礎，用Fluent軟件分別模擬在進水口來流洪水水面高程與管道等高、超出管道1 m、2 m 時洪水在管道上游16 m 及下游15 m 的流動，分析輸氣管道外表面的壓強分布，并對整個管道進行受力分析，研究洪水流量對跨河輸氣管道外部荷載的影響，為跨河管道的安全評估提供參考。

3.1 計算工況

在管道上游16 m 的進口處設置了不同水位高程的來流洪水，進口處的水深和流量如表1所示：

表1 計算工況參數Tab.1 Calculation of condition parameter

3.2 管道壁面壓強分析

圖1、圖2、圖3 分別是在進口水位高程為177.48、178.48、179.48 m 時天然氣輸氣管道上的壓強分布。

圖1 進口水位177.48 m時管壁上的壓強分布Fig.1 Pressure distribution on the pipe wall when the inlet water level is 177.48 m

圖2 進口水位178.48 m時管壁上的壓強分布Fig.2 Pressure distribution on the pipe wall when the inlet water level is 178.48 m

圖3 進口水位179.48 m時管壁上的壓強分布Fig.3 Pressure distribution on the pipe wall when the inlet water level is 179.48 m

由圖1可知，當進水口水位高程與管道頂部高程相等時，輸氣管道外表面的壓強分布具有以下特點：管道上面所受到的壓強最大為29 kPa，大于1 m水深產生的壓強。主要原因包括：管道處上游河段發(fā)生壅水，使得管道附近的水深增加，承受的靜水壓強增大；流動的水體會對物體產生動水作用力，在管道附近流速較高，因而產生的動水作用力也較大。并且管道不同部位的壓強具有差異性，其中管道迎水面和底部的壓強較大。

進口水位高程高于管道頂高程1 m時，管道上壓強分布見圖2，最大可達到36.3 kPa，迎水面和底部的壓強相對要大一些。

當進水口水位高于管道頂高程2 m時，管道外表面所受的水荷載分布見圖3，由圖3 可知，管道底部和迎水面的壓強較其他地方大，管壁最大壓強為43.2 kPa。比較三種水深條件管道上最大荷載可以發(fā)現，隨著水深增加，管壁上的荷載也在增加[9]。

為研究管道不同位置的壓強，探究管道壓強分布規(guī)律，分別研究管道下部、頂部、左側、右側頂點的壓強在管線方向的分布。創(chuàng)建位于圓柱面底部、頂部、左側、右側的四條直線，四條直線相對管道的位置如圖4 所示，分別命名上游面、頂部、底部、下游面中點連線為sy、tb、db、xy。選中這幾條線作為x軸，以壓力作為y軸，做出各種工況下壓力隨管道位置變化的散點圖，如圖5～圖7所示。

圖4 直線位于管壁上的位置Fig.4 Position of straight line on the pipe wall

圖5 進口水位177.48 m沿管線壓強分布Fig.5 Pressure distribution along the pipeline with 177.48 m inlet water level

圖6 進口水位178.48 m沿管線壓強分布Fig.6 Pressure distribution along the pipeline with 178.48 m inlet water level

圖7 進口水位179.48 m沿管線壓強分布Fig.7 Pressure distribution along the pipeline with 179.48 m inlet water level

由圖5～圖7可知，當水位高程從177.48 m增加到178.48 m，再增加到179.48 m時，管道外表最大壓強從20 kPa增加到30 kPa，再增加到40 kPa。由此可知，管道外表面所受的最大壓強與水深成正相關關系。在同一水深條件下，管道迎水面中點壓強最大，背水面次之，頂部最小，甚至于出現負壓。迎水面中點受到的水流沖擊最大，故所受壓強最大。頂部水深較小，而流速較大，根據伯努利能量方程可知，管道頂部出現負壓是合理的。隨水深增加，背水面中點的壓強增長幅度大于底部壓強的增長幅度。當進口水深為1.37 m時，底部壓強仍然大于背水面；當進口水深為2.37 m時，底部壓強與背水面相近；當進口水深為3.37 m時，底部壓強則小于背水面的壓強[10]。

總體來說，管道沿軸線方向的水荷載分布具有以下規(guī)律：在同一水深條件下，迎水面壓強最大，背水面與底部稍小，頂部位置的壓強最??；就同一個位置而言，水深越大，壓強越大。

3.3 管道受力分析

管道厚度的確定是輸氣管道設計中的重要內容，按照輸氣管道工程設計規(guī)范，可以求出跨河管道的厚度，從而在管道受力分析中確定相關參數，計算在洪水荷載作用下管道危險位置的應力，求出抵抗破壞的最小壁厚。工程中采用的鋼管型號為L485，壁厚14 mm，根據規(guī)范，求出內壓作用的管厚，驗證壁厚取值的合理性[11]。

式中：δ為鋼管壁厚，mm；p為管內設計壓力，MPa，取高壓輸氣管道的最大氣壓8 MPa；D為鋼管外徑，mm，取1 000 mm；σs為鋼管的最小屈服強度，MPa，取485 MPa；F為強度設計系數，取0.72；Φ為焊縫系數，取1；t為溫度折減系數，取1。帶入數據求得，管壁厚度δ=11.5 mm，實際工程中取管壁厚度為14 mm，符合規(guī)范要求。

對于一根單位長度的管道來說，它受到的力除了自身的重力外，還有靜水壓力與動水壓力組成的水壓力，以及其內部的氣體壓力。單位長度輸氣管道的受力情況如圖8所示。

圖8 洪水作用下管道荷載Fig.8 Pipeline load diagram under flood action

圖9 中ve為洪水流速；qw為管道自重與管內介質的自重之和；Ff為管道所受浮力，即靜水壓力；FL為豎向升力；F1為慣性力；FD為水流橫向拖曳力，它們三個力共同組成了動水作用力；p為管道內部壓力。

天然氣輸氣管道暴露出來的部分是兩端固定的超靜定梁，它的受力比較復雜，洪水中的管道在浮力和動水作用力的作用下將發(fā)生沿x、z方向的組合彎曲，管道在純彎曲作用下，在固定端的位置彎矩最大，很可能在這個地方發(fā)生破壞[12]。

研究彎矩在管線上的分布，結果表明彎矩是水荷載在各個方向產生的彎矩，將自重產生的荷載與其矢量合成，得到不同水深條件下彎矩的沿程分布，圖9為水位177.48 m時管道軸線彎矩分布，其余兩種工況下管道曲線彎矩分布規(guī)律與之相似，僅具體數值不同。由圖9可知，彎矩最大的位置是右岸管道與土體結合處。管道危險截面水荷載產生的彎矩情況如表2所示。

圖9 水位177.48 m時管道軸線彎矩分布Fig.9 Bending moment distribution of the pipeline axis with 177.48 m water level

表2 不同進口水深下水荷載產生的最大彎矩Tab.2 Maximum bending moment caused by water load at different inlet water depths

除去水荷載產生的彎矩外，管道也承受自重產生的彎矩。在Fluent計算過程中，管道被設置成邊界，忽略了重力對自身的影響，當對管道進行受力分析時，需要重新考慮管道自身重力產生的彎矩。根據沿管道軸線方向彎矩的分布得知，管道的最大彎矩位于河流右岸管道與土體接觸的位置，該位置彎矩的具體情況如圖10 所示，根據矢量疊加原理可以求得危險點的最大彎矩值。

圖10 彎矩示意圖Fig.10 Bending moment diagram

圖中向下的彎矩MG為管道自身重力引起的彎矩，向上的彎矩Mz1為水荷載沿z方向即豎直方向產生的最大彎矩，Mz為重力和水荷載在堅直方向產生的彎矩之和，Mx為水荷載沿x方向產生的最大彎矩，M為所有外部荷載產生彎矩的矢量之和?？梢郧蟪鏊奢d作用于管道最危險截面的正應力，見表3。

表3 不同水深條件下管道水荷載和自重產生的最大彎矩應力Tab.3 Maximum bending moment stress caused by water load and self weight of the pipeline under different water depths

在管道的固定端截面，除了外部荷載外，管道內部存在氣體，這些氣體會給管壁壓力，氣壓會迫使管道產生軸向的和周向的應力[13]，在外荷載和內壓作用下，危險點處于彎矩引發(fā)的正應力、內壓引起的軸向應力和周向應力的二向應力狀態(tài)，應力示意圖如圖11 所示，其中彎矩引發(fā)的正應力σ與內壓引起的軸向應力σa方向一致，內壓引發(fā)的周向應力σc與其他兩個應力垂直。

圖11 管道危險點受力分析Fig.11 Stress analysis of pipeline dangerous points

管道危險點處于二向受力狀態(tài)，根據材料力學知識可知這一點的第一主應力和第三主應力，將不同水深對應的應力代入式（6）和（7）中，即可求出主應力，計算結果如表4所示。

式中：σ1為第一主應力，MPa；σa為軸向應力，MPa；σ為正應力，MPa；σ3為第三主應力，MPa；σc為周向應力，MPa。

表4 不同水深條件下的主應力Tab.4 Main stress under different water depths

在組合荷載作用下，管道的承載力將受到考驗，運用強度理論求出最大應力并與鋼材的極限承載能力對比，從而完成對管道的安全評估。由于天然氣輸氣管道為鋼材制作，而鋼材屬于塑性材料，適用于第三強度理論[14]，即不論材料處于何種應力狀態(tài)，只要最大剪應力達到最大，材料就屈服。

式中：σeq3為第三強度理論的相當應力，MPa；σ4為材料許用應力，MPa。

按照第三強度理論分別求得三種進口水深下的管道最大荷載，如表5所示。

表5 管道上最大荷載Tab.5 Maximum load of the pipeline

由表5 可知，當洪水水位超出管道頂部高程時，管道上危險點的應力為501.13 MPa，遠大于鋼材的最小屈服強度485 MPa，管道會受到破壞，并且隨水深增加管道危險點的應力也在增大。根據表中計算結果，可判定管道在三種工況下均不安全。

計算輸氣管道抵抗洪水荷載的最小壁厚，可得出各種不同材料輸氣管道在不同進水高程下抵抗破壞的最小壁厚，如表6所示。

表6 不同材料輸氣管道在不同進口水深抵抗破壞的最小壁厚Tab.6 Minimum wall thickness of gas pipeline with different materials to resist damage under different water inlet depths

由表6可知，隨著進口水深的增加，管道抵抗洪水荷載所需的壁厚在增加，就同一水深而言，管道上的荷載恒定，增加鋼材的強度可以有效減小管道的壁厚，把鋼材Q235 換成L485，管道壁厚可以減小至原來的1/2左右。

3 結論

（1）對荷載沿管道軸線的分布進行了研究，發(fā)現管道迎水面受到的壓強最大，背水面和管道底部受到的壓強次之，頂部壓強最?。幌嗤恢玫膲簭婋S著水深增加而增大。

（2）當輸氣管道被沖刷裸露出來后，在管道與土體的交接處彎矩最大，此處是管道上的危險截面。對工程采用的壁厚21 mm 的L485 型鋼管進行受力分析，發(fā)現這種類型的鋼管無法依賴自身抵抗洪水荷載，為保障管道安全，在設計之初可以酌情增加管壁厚度。

（3）利用試算法確定了不同來流條件下不同型號鋼管的最小壁厚，當進口速度不變時，隨著水深增加，流量增大，管道受到荷載增大，管道抵抗洪水荷載所需要的壁厚相應增加，采用增加鋼材強度的方法可以有效減小管道壁厚。

（4）對比危險截面處彎矩的水平和垂直分量，可以發(fā)現，彎矩在垂直方向的分量約為水平分量的2倍，因此可以判定豎向水荷載是威脅管道安全的主要因素。

總的來說，對于穿河管道，為了防止洪水對穿河管道造成失穩(wěn)破壞，對于有沖刷隱患的管道工程，建議采用增加壓重塊的方式減小輸氣管道破壞的風險，同時應注意穿越深度及穿越層的穩(wěn)定，并且修建適當的護岸、護底、標志物等以保護管道。對于穿河管道應該嚴格按照相應規(guī)范和要求進行建設；建成后應采用先進的監(jiān)控技術加強巡視檢查，在洪水等特殊時期應密切監(jiān)控，發(fā)現穿河管道有懸空裸露趨勢時應立即采取應對措施。