地質(zhì)災害下對輸油管道的失效分析

孟成

摘 要：針對輸油管道經(jīng)過地質(zhì)災害區(qū)域時，受地表沉陷作用力影響容易發(fā)生裂縫、拉斷的問題開展輸油管道力學響應分析。用ABAQUS軟件對數(shù)學模型進行構(gòu)建，并針對地表沉陷的應力作用下，管道受作用力影響出現(xiàn)變形的特征進行分析。通過對管道軸向應力應變、最大Mises應力總應變的應力及應變最大值分析，確定管道最危險的區(qū)域在沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)交界左右各5 m范圍內(nèi)。最后通過對基于應力和應變的失效準則特點的分析，選擇適合的失效判定準則對地質(zhì)災害區(qū)域沉陷作用下的輸油管道進行失效判定。

關鍵詞：輸油管道;管-土相互作用;地表沉陷;力學響應

中圖分類號：TE973;TE88 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0140-05

Failure Analysis of Oil Pipeline under Geological Disaster

Meng Cheng

（Wuhan Oil Transportation Office of Eastern Storage and Transportation Company of Pipe China， Wuhan 430061， China）

Abstract：The mechanical response analysis of the oil pipeline is carried out for the problems of cracks and fracture when the oil pipeline passes through the geological disaster area. The mathematical model was constructed with ABAQUS software and analyzed for the pipeline deformation under the stress of surface subsidence. By analyzing the stress of the pipeline axial stress strain， maximum Mises stress strain and maximum strain， the most dangerous area of the pipeline is determined within about 5 m each at the boundary of the non-subsidence area. Finally， analyzing the characteristics of stress and strain， the appropriate fault criterion of geological disaster area subsidence.

Key words：oil pipeline; pipe-soil interaction; surface subsidence; mechanical response

管道運輸是我國石油運輸最常用的一種方式。隨著我國對石油需求量的不斷增加，輸油管道的敷設量也隨之增加。受我國特殊地形影響，部分輸油管道需要穿過地質(zhì)災害區(qū)，地表沉陷是較為典型的一種地質(zhì)災害，也是對輸油管道影響較大的一種地質(zhì)災害。當管道穿過地表沉陷區(qū)域時，受沉陷土體作用力的影響，輸油管道可能產(chǎn)生裂縫、拉斷等形式的破壞，造成石油泄漏的現(xiàn)象。因為石油易燃易爆的特點，一旦出現(xiàn)泄漏的情況，就會造成一些嚴重的后果。為解決輸油管道失效的問題，國內(nèi)廣大學者做出了很多研究，如胡建國等（2018）以長慶油田某輸油管作為研究對象，對管道腐蝕失效進行相關分析[1];劉彥麟等（2019）則希望通過“樹新算法”，考慮管道腐蝕故障失效相關性[2]。以上學者的研究成果為管道失效分析提供了新的思考，但這些學者的研究未對地質(zhì)災害下的輸油管道失效分析進行定義。基于此，本文嘗試通過建立模型，確定沉陷作用對輸油管道的影響程度，找出輸油管道容易發(fā)生破壞的位置，為制定有效預防輸油管道失效措施提供參考。

1 有限元模型建立

1.1 管-土相互作用模型

考慮埋地輸送管道與管周土體（管-土）相互作用，采用有限元軟件建模，選擇土彈簧模型和非線性接觸模型實現(xiàn)地質(zhì)災害下沉陷土體管-土相互作用建模。

1.1.1 土彈簧模型

土彈簧模型可將管-土相互作用進行分解，得到軸向、橫向水平、橫向垂直的極限荷載變化。圖1為經(jīng)過土彈簧模型分解后，三向土彈簧模型的受力-變形示意圖，其中KA、KH、KV分別代表管道軸向、橫向水平、橫向垂直的彈簧剛度。

1.2 構(gòu)建模型

1.2.1 幾何模型的建立

在忽略防腐層、缺陷因素影響，以及土體均為提箱土體的情況下，構(gòu)建圖2的沉陷土體下管-土模型。表1為有限元模型的幾何參數(shù)。在圖2中，AC段為整體模型的計算長度;BC段為模擬沉陷區(qū)，B點為沉陷區(qū)和非沉陷區(qū)的交界面。在試驗過程中，模擬沉陷區(qū)域的方法是在BC段施加位移載荷。

1.2.2? ? ?材料屬性設置

土體模型和管道模型在Part模塊中創(chuàng)建，在Property模塊中分別定義土體管型和管道模型的材料屬性，具體材料參數(shù)如表2所示。

以彈性模型和摩爾-庫倫彈塑性模型作為土體模型，管道模型為Ramberg-Osgood（B-O）模型;為實現(xiàn)管道經(jīng)過地表沉陷區(qū)域時，塑性狀態(tài)的模擬，需要在ABAQUS軟件中輸入真實應力（真實應力取X65鋼的屈服強度450 MPa）、塑性應變的數(shù)據(jù)。本構(gòu)方程為

式中：ε表示材料的總應變;E表示材料彈性模量，Pa;σs表示材料屈服應力，Pa;n、r分別表示材料的R-O模型參數(shù)。

1.2.3 分析步確定

本文分析步采用Static General 靜力分析步，需要提前對分析步進行設置，具體設置為：時間分析步總長為1;增量步長為自動;初始步長為0.05;最小增量步為1E-5;增量次數(shù)為1 000。管道產(chǎn)生較大變形，需在Basic中幾何非線性選項Nlgeom選擇on。

1.2.4 管-土間相互作用

在Interaction模塊中采用面-面接觸定義管-土接觸，以管道外表面為主面，土體內(nèi)表面為從面，建立相互作用的屬性。以罰函數(shù)為切向塑性，硬接觸為法向?qū)傩浴９?土間摩擦系數(shù)根據(jù)實際測量確定。無實測數(shù)據(jù)可按表3取值，本實驗取值0.5。

1.2.5 荷載和邊界條件

管道穿過地質(zhì)災害地表沉陷區(qū)域時，由管道自重、管-土間相互作用力、介質(zhì)壓力和上覆土體自重對管道施加壓力，因此需在荷載選項中進行設置;輸油管主要輸送物質(zhì)為密度850 kg/m3的柴油，在管道下側(cè)受到重力作用，則管道下側(cè)單位面積受力為1 291 N。在數(shù)值模型建立時，對管道施加該力。

2 模擬計算結(jié)果與分析

2.1 應力云圖

圖3為在建模參數(shù)下，土體沉降量為0.2 m時的應力云圖。由圖3可知，土體沉陷會導致管道出現(xiàn)向下的彎曲變形，管道的最大Mises應力為428.5 MPa，比彈性屈服強度小;最大軸向應力為456.2 MPa;而最大軸向應變和最大總應變均為0.193%，應變量小。

2.2 管道受力和變形反應分析

通過分析圖3土體沉降應力應變云圖可知，管道應力主要集中在管頂和管底，因此，接下來重點對管頂和管底的受力進行分析。

2.2.1 Mises應力和總應變分析

圖4（a）、（b）分別為管頂和管底的Mises應力及總應變沿管道長度變化情況。由圖4可知，管道Mises應力和總應變在沉陷與非沉陷區(qū)交界處相對比較集中。非沉陷區(qū)Mises應力和總應變最大值均位于17.5 m 處，分別為425 MPa和0.193%。而沉陷區(qū)Mises應力和總應變最大值均位于22 m處，分別為428 MPa和0.191%。沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)相比，最大應力應變點與沉陷交界面接近，且在左右2.5 m區(qū)域應力應變值均較大。說明管道最危險位置在沉陷與非沉陷區(qū)左右5 m位置。

圖5為沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)最大Mises應力和總應變所在的管道圓周Mises應力和總應變的變化示意圖。

由圖5（a）、（b）可知，Mises應力對管頂和管底壓迫較大，故管道最容易受損傷位置在管頂和管底。由圖5（c）、（d）可發(fā)現(xiàn)，沉陷區(qū)管頂附近總應變比管底附近應變小，即沉陷區(qū)管底更容易因為變形過大而導致失效。而非沉陷區(qū)的應變情況與沉陷區(qū)剛好相反，在管頂更容易因為變形過大而造成失效。

2.2.2 軸向應力和軸向應變分析

圖6為管頂和管底軸向應力、應變隨管長變化情況。由圖6可知，管道應力、應變集中在沉陷與非沉陷區(qū)交界面附近，且管頂與管底受力情況相反。通過計算可知，非沉陷區(qū)最大軸向拉伸、壓縮應力及應變均在22 m附近，軸向Mises應力和總應變最大位置相同，印證了2.2.1的結(jié)論，即在沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)交界面左右5 m范圍為管道最危險的位置。

圖7為非沉陷區(qū)和沉陷區(qū)管道最大軸向應力應變所在管道圓周截面軸向應力、應變變化示意圖。由圖7可知，非沉陷與沉陷區(qū)管道應力、應變變化情況表現(xiàn)出相反形式。在左右兩側(cè)的軸向應力、應變較小，在管道頂部和底部較高。即管道在該位置最容易受到損傷。

3 失效判斷準則

3.1 基于應力理論的管道失效判斷

在管道設計中，失效判別標準一般為管道應力，也就是管道在規(guī)定壓力下輸送介質(zhì)時，最大應力應小于管材的屈服應力。根據(jù)GB/T 36676—2018規(guī)定，用管道應力作為失效判別標準應滿足環(huán)向應力條件和組合應力條件。

3.1.1 環(huán)向應力條件

根據(jù)環(huán)向應力條件的相關要求，管道在正常運行工況下需滿足： ，也就是環(huán)向應力小于許用應力。式中，σh為管道環(huán)向應力，MPa;σs為管材屈服應力，MPa;[σ]為管道許用應力，MPa;K為設計系數(shù)，為焊接系數(shù)，一般取值為1。一般情況下，輸油管道的設計系數(shù)為0.72。

3.1.2 組合應力條件

沉陷區(qū)管道受多種應力的共同作用，管道應力處于三向應力狀態(tài)。若只依靠環(huán)向應力，無法保證管道的安全運營。因此還需用組合應力對管道強度進行驗證。VonMises屈服條件為

式中：σMises為管道前后部的Mises組合應力;K為安全系數(shù)，本文取值0.9;σ1、σ2、σ3分別表示為管道任一微單元的主應力，大小為σ3≤σ2≤σ1。

3.2 基于應變理論的管道失效判據(jù)

管道極限應變?nèi)≈到y(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

上述4個準則都是針對無缺陷管道應變設計的，通過對比分析，本文取2%作為極限應變?nèi)≈怠?/p>

3.3 管道失效情況分析

對管道的采樣研究表明，管道受較大位移變形導致某些部位應力達到失效條件，運行依舊不會受到影響。因此采用基于應變理論的失效準則，應力可以超過管道屈服強度。本文選擇的失效判定方法為基于應變，準確判斷在地質(zhì)災害區(qū)域地表沉陷作用下，輸油管道有沒有失效。表5為輸油管道最大Mises應力和最大總應變有限元模擬計算結(jié)果，由表5可知，最大應變?yōu)?.193%，比極限應變小。滿足相關準則，證明管道不會因為該沉陷情況出現(xiàn)管道失效。

4 結(jié)語

研究表明，通過ABAQUS有限元分析軟件建立的數(shù)值模型能就地質(zhì)災害下地表沉陷對管道受力和變形特征進行有效分析。結(jié)果證實了沉陷區(qū)最大應力、應變點與沉陷交界面接近，沉陷區(qū)最大Mises應力和總應變均位于22 m處，分別為428 MPa和0.191%。軸向Mises應力和總應變最大位置相同，最大應力應變點在2.5 m左右區(qū)域應力應變值均較大。也就是說管道最危險的區(qū)域在沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)交界左右各5 m范圍內(nèi)。基于應力和應變失效準則特點，為對沉陷作用下輸油管道的失效進行判定。

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