山體隧道輸氣管道應(yīng)力影響因素分析

羅 旋 陳 林 王 軍

中國石油西南油氣田公司輸氣管理處重慶輸氣作業(yè)區(qū) 重慶 400000

我國西南地區(qū)以山地、丘陵地形為主，輸氣管道經(jīng)過這些區(qū)域時，為避免爬坡敷設(shè)增加輸氣管道總里程、保護當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，輸氣管道通常采取隧道穿越的敷設(shè)方式[1-2]。山體隧道輸氣管道應(yīng)力分布及變化特征受多種因素的影響，包括運行壓力、運行溫度、環(huán)境溫度、支墩間距、斜管傾角等[3-4]。當前山體隧道輸氣管道的設(shè)計尚無理論支撐，主要依賴經(jīng)驗參數(shù)，管道運行存在安全隱患[5]。本文分析各種因素對管道應(yīng)力的影響，為山體隧道輸氣管道的設(shè)計與運行管理提供參考。

1 應(yīng)力分析模型的建立

1.1 基本參數(shù)

分析石嶺崗隧道輸氣管道，該隧道穿越采用“平巷（進口段）- 斜巷（出口段）”形式。隧道水平長度為1229m，隧道總長為1290m，其中進口段長度為666m，斜巷長度為624m。管道在隧道平、斜巷內(nèi)支撐在支墩上，支墩間距12m。為保障隧道內(nèi)管道安全，減少因溫度應(yīng)力造成的管道變形和位移，在兩岸隧道洞口外設(shè)置25m 的水平溫度補償管段管溝和固定墩。隧道內(nèi)輸氣管道管徑（φ）為813mm，材質(zhì)為L485（X70）直縫埋弧焊鋼管，管道設(shè)計壓力為6.3MPa，采用三層PE 加強級防腐。運行壓力3.5～5.0MPa、運行溫度21.5℃。

1.2 模型建立

根據(jù)工程數(shù)據(jù)，本文利用CAESAR II 軟件建立隧道輸氣管道應(yīng)力分析模型。隧道進口與出口分別設(shè)置固定墩1 與固定墩2，設(shè)置固定域約束為“ANC”；管道受到支墩約束，應(yīng)力簡化為承受軸向力、剪力及彎矩，僅在Z 與Y 方向受約束。石嶺崗山體隧道輸氣管道應(yīng)力分析模型見圖1。

圖1 石嶺崗山體隧道輸氣管道應(yīng)力分析模型

1.3 應(yīng)力分布特征

石嶺崗山體隧道輸氣管道應(yīng)力分布見圖2。

由圖2 可知，輸氣管彎頭處較容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，是應(yīng)力危險截面，其中彎管1 處的一次應(yīng)力值最大；除彎頭區(qū)域，應(yīng)力分布較為均勻。依據(jù)設(shè)計標準[6-7]，一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、綜合應(yīng)力最高節(jié)點應(yīng)力數(shù)值均未超過0.9 倍的管材許用應(yīng)力，管道運行狀態(tài)下的一次、二次應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

圖2 石嶺崗山體隧道輸氣管道應(yīng)力分布

2 應(yīng)力影響因素分析

2.1 運行壓力的影響

設(shè)置運行溫度21.5℃、環(huán)境溫度20℃、支墩間距12m、斜巷傾角20°，模擬山體隧道輸氣管道內(nèi)壓為3.5～6.0MPa，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力與內(nèi)壓呈正比，管道危險斷面的位置無變化；管道一次應(yīng)力隨著內(nèi)壓的升高而增大，而內(nèi)壓改變對二次應(yīng)力的影響并不大。

綜合輸氣管道在不同內(nèi)壓下的應(yīng)力分布，輸氣管道在不同內(nèi)壓下的最大應(yīng)力隨內(nèi)壓增大，石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應(yīng)力隨內(nèi)壓的變化規(guī)律見圖3。

圖3 石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應(yīng)力隨內(nèi)壓的變化規(guī)律

2.2 運行溫度的影響

設(shè)置石嶺崗隧道輸氣管道運行溫度為21.5～50℃，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力隨運行溫度的增加而增大，山體隧道輸氣管道危險斷面的位置無變化。管道的二次應(yīng)力變化隨著運行溫度的增加而增大，但一次應(yīng)力的變化不明顯。

綜合山體隧道輸氣管道在不同運行溫度下的應(yīng)力分布，管道最大應(yīng)力隨運行溫度的增大而增大，石嶺崗隧道輸氣管道最大應(yīng)力隨運行溫度的變化規(guī)律見圖4。當運行溫度超過40℃后，管道內(nèi)外溫差增大，應(yīng)力增大幅度顯著增加。因此，當溫度超過40℃時，需要更加需要關(guān)注溫度對山體隧道輸氣管道應(yīng)力的影響。

圖4 石嶺崗隧道輸氣管道最大應(yīng)力隨運行溫度的變化規(guī)律

2.3 環(huán)境溫度的影響

山體隧道輸氣管道的環(huán)境溫度為5～20℃時，石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應(yīng)力隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律見圖5。隨著環(huán)境溫度的增加，山體隧道輸氣管道內(nèi)外溫差降低，綜合應(yīng)力降低；管道內(nèi)外溫差增大時，應(yīng)力增大幅度明顯增加。因此，在冬季時，更要注意隧道內(nèi)管道的運行安全。

圖5 石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應(yīng)力隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律

2.4 支墩間距的影響

石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應(yīng)力隨支墩間距的變化規(guī)律見圖6。

圖6 石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應(yīng)力隨支墩間距的變化規(guī)律

由圖6 可知，隨著支墩間距的減小，管道最大應(yīng)力減小。支墩過大易造成管道軸向失穩(wěn)。當間距由12m 降低至6m 時，成本投資增加一倍,施工難度增大，應(yīng)力降低幅度僅為1.6%，因此，支墩間距也不宜過小。

2.5 斜管傾角的影響

設(shè)置管道傾斜角度為20°≤α≤35°，石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應(yīng)力隨斜管傾角的變化規(guī)律見圖7。隨著斜管傾角的增加，管段最大綜合應(yīng)力值增加，傾斜角為30°～35°時，應(yīng)力值明顯增大。

圖7 石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應(yīng)力隨斜管傾角的變化規(guī)律

3 影響應(yīng)力變化的主控因素分析

依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析比較各對比因素（運行壓力、運行溫度、環(huán)境溫度、支墩間距、斜管傾角）與最大應(yīng)力的關(guān)聯(lián)程度。各影響因素的關(guān)聯(lián)度見表1。

由表1 可知，各影響因素的關(guān)聯(lián)度均大于0，說明各因素對管道應(yīng)力均有影響。分析關(guān)聯(lián)度的數(shù)值，運行壓力的關(guān)聯(lián)度最大，為0.79，說明運行壓力是影響管道應(yīng)力的主要控制因素。

表1 各影響因素的關(guān)聯(lián)度

4 結(jié)論

（1）通過計算分析，發(fā)現(xiàn)在運行狀態(tài)下，管道一次、二次應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。同時，與其他區(qū)域相比，彎管是應(yīng)力危險截面。

（2）隨著運行壓力、運行溫度的增加，管道危險斷面位置無變化，管道最大應(yīng)力隨之增大。當運行溫度超過40℃，管道內(nèi)外溫差增大，應(yīng)力增大幅度明顯增加，需要重點關(guān)注溫度對管道應(yīng)力的影響。

（3）隨著環(huán)境溫度變化，管道內(nèi)外溫差增大，應(yīng)力增大幅度增加。因此，冬季的時候，更需要注意隧道內(nèi)管道的運行安全。在設(shè)計時，隧道支墩間距不宜過大，斜巷隧道輸氣管道的角度不宜超過30°。

（4）結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法，得到各因素的關(guān)聯(lián)度，其中運行壓力是影響管道應(yīng)力的主要控制因素。