老紅坡區(qū)易滑坡段天然氣管道應(yīng)力分析

盧 艷，伍 穎

西南石油大學(xué)土木工程與測(cè)繪學(xué)院，四川 成都

1. 引言

云貴高原山區(qū)地段地形復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，在選線過(guò)程中因?qū)嶋H需要無(wú)法完全避開(kāi)不良工程地質(zhì)地段，這對(duì)實(shí)際天然氣管道的安全運(yùn)營(yíng)、環(huán)境保護(hù)及生命財(cái)產(chǎn)安全危害極大。天然氣輸氣管道因鋪設(shè)距離長(zhǎng)，將穿越復(fù)雜的地質(zhì)地貌，管道安全時(shí)常受到崩塌、滑坡、泥石流、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的威脅，而云貴高原山區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害是滑坡[1]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2014 年蘭成渝輸油管道、中貴輸氣管道、西氣東輸管道沿線地質(zhì)災(zāi)害多達(dá)282處，涉及崩塌、滑坡、采空、泥石流等，其中滑坡災(zāi)害107 處[2]，占比高達(dá)38%。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)天然氣產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，天然氣的普及率已大大提高，但其易燃易爆的性質(zhì)使得天然氣管道爆炸時(shí)有發(fā)生[3]。管道附近發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，在地質(zhì)滑坡推力作用下會(huì)造成管道受到顯著的附加應(yīng)力和應(yīng)變，緩慢滑坡能夠?qū)е鹿艿来蠓秶冃危话l(fā)滑坡則會(huì)造成管道瞬間失效[4]。滑坡是引發(fā)油氣管道失效的常見(jiàn)原因之一，輕者可致管道裸露、懸空和屈曲，重者導(dǎo)致管道破裂，引發(fā)油氣泄漏污染環(huán)境，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至發(fā)生爆燃事故，危及生命及財(cái)產(chǎn)安全。

目前管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)方法已多種多樣，一直發(fā)展到今天，主要有：電阻應(yīng)變測(cè)量、機(jī)械應(yīng)變計(jì)、X 光衍射法[5]等。劉永峰[6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)前技術(shù)最成熟、運(yùn)用最廣泛的是電阻應(yīng)變測(cè)量，簡(jiǎn)稱電測(cè)法；霍小亮[7]在分析研究采空區(qū)位置的管道應(yīng)力變化時(shí)，采用振弦式應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；在管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)中，傳統(tǒng)的電阻式應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計(jì)等傳感器發(fā)揮了重要的作用。張樂(lè)廷[8]等通過(guò)給管道內(nèi)壁粘貼應(yīng)變片提出了超高壓管道殘余應(yīng)力檢測(cè)方法；賈振安[9]等利用布里淵散射技術(shù)，獲得地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域管道沿線周?chē)翆討?yīng)變分布變化信息，但上述傳感器精度不高、耐腐蝕性能差、易受電磁干擾等問(wèn)題沒(méi)有得到徹底解決；為了彌補(bǔ)以上缺陷，冷建成等[10]提出了一種基于光纖光柵(FBG)傳感的管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法等。

縱觀國(guó)內(nèi)外有關(guān)管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然方法眾多，但由于實(shí)際地質(zhì)情況復(fù)雜，不存在一種通用的監(jiān)測(cè)技術(shù)，且管道本體應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較難實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，各種監(jiān)測(cè)技術(shù)及手段均需要因地制宜選擇合適的傳感器以及配套的系統(tǒng)。因此，有必要針對(duì)易滑坡地段天然氣管道進(jìn)行管道應(yīng)力分析研究，明確重點(diǎn)危害管段，對(duì)天然氣管道運(yùn)營(yíng)安全部分進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)隱患治理至關(guān)重要。

2. 天然氣管道基本情況

老紅坡區(qū)中緬天然氣管道自北向南敷設(shè)，線路全長(zhǎng)91.7 m，管徑為406.4 mm，采用L 415 鋼級(jí)，設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa。線路經(jīng)過(guò)地區(qū)屬典型的高原喀斯特地貌，生態(tài)環(huán)境比較脆弱，易發(fā)生泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害情況。其中，老紅坡段南側(cè)地區(qū)，線路長(zhǎng)約為2 km，天然氣管道沿兩側(cè)邊坡敷設(shè)，埋深1.5 m，局部深度達(dá)9.4 m，兩側(cè)坡角45?，有滑坡趨向段的坡度在17.50?～31.55?之間，如圖1 所示。

Figure 1. Schematic diagram of pipeline and terrain and landslides tendency in Laohongpo district圖1. 老紅坡段管道及地形與滑坡傾向示意圖

根據(jù)老紅坡段管道及地形與滑坡示意圖，對(duì)所監(jiān)測(cè)燃?xì)舛芜M(jìn)行全線應(yīng)力初步分析，通過(guò)滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生趨勢(shì)與管道敷設(shè)特點(diǎn)，初步確定滑坡發(fā)生時(shí)的危險(xiǎn)點(diǎn)7 處，如圖2 所示。這七個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)中，管道頂端(2、5)和底端(1、3、4)容易形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中進(jìn)一步發(fā)展會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)塑性變形，進(jìn)而發(fā)生屈曲破壞，主要里程和高程以及可能的失效形式見(jiàn)表1。

Figure 2. Primary selection of key dangerous points圖2. 重點(diǎn)危險(xiǎn)點(diǎn)初選位置

Table 1. Monitor the relevant parameters of the pipe section and possible failure modes表1. 監(jiān)測(cè)管段有關(guān)參數(shù)及可能的失效形式

3. 埋地管道應(yīng)力分析方法比選

埋地敷設(shè)的天然氣管道主要受到天然氣的內(nèi)壓作用和土壤的外載作用，即管道滑動(dòng)時(shí)的摩擦力、土體產(chǎn)生的重力和內(nèi)壓引發(fā)的應(yīng)力。由Ramberg-Osgood 方程[11]可知，隨著內(nèi)壓的增加，管道的許用應(yīng)變將減少。對(duì)溝底管道來(lái)說(shuō)，承受的是軸向壓縮，由于土量堆高將引起徑向失穩(wěn)；另一方面，管道承受的土壓力和內(nèi)壓方向是相反的，所以管道內(nèi)壓越大，管道破壞的幾率越小。對(duì)于拉伸失效，隨著內(nèi)壓的增加，管道的等效應(yīng)力越大，因此坡頂管道破壞的幾率越大[12]。

通常情況下，工程上采用不連續(xù)的非線性彈簧模擬土壤對(duì)管道的作用。常用建立土壤模型的方法有ALA 模型、Peng 模型、ASME B31.1 附錄VII 模型等[13]。埋地管道應(yīng)力計(jì)算模型是用不連續(xù)的非線性彈簧模擬土壤對(duì)管道的作用，其分析需要計(jì)算的兩個(gè)基本極限載荷是軸向和橫向極限載荷，剛度則可以通過(guò)極限載荷除以屈服位移得到，而應(yīng)力增量與應(yīng)變的關(guān)系和土壤載荷與土壤位移的關(guān)系，如圖3、圖4。

1) Peng 理論[8] (CAESAR II Basic Soil Modal)

工程中常用Peng L C 算法，該方法認(rèn)為土壤約束作用采用具有初始剛度、極限載荷和屈服剛度的雙線性彈簧來(lái)模擬，將屈服剛度設(shè)為接近于零，即一旦達(dá)到極限載荷，即使位移不斷增加，極限載荷的值也不會(huì)進(jìn)一步增大[14]。

Figure 3. Relationship between stress increment and strain圖3. 應(yīng)力增量與應(yīng)變的關(guān)系

Figure 4. Relationship between soil load and soil displacement圖4. 土壤載荷與土壤位移的關(guān)系

① 軸向極限載荷

式中：Fax為軸向極限載荷，N/mm；μ為管道與土壤的摩擦因數(shù)，一般淤泥取0.3，細(xì)沙取0.4，沙礫取0.5，粘土取0.6～2.4；D管道的直徑，mm；Sρ為土壤密度，N/mm3；pρ為管道材料密度，N/mm；fρ為管內(nèi)介質(zhì)密度，N/mm；t為管道壁厚，mm；H為土壤表面到管道頂部的深度，mm。

② 橫向極限載荷

未給定排水抗剪切強(qiáng)度：

2) 埋地直管段軸向應(yīng)力

按照受約束的埋地直管段軸向應(yīng)力計(jì)算和當(dāng)量應(yīng)力校核的要求[15]，應(yīng)滿足下列兩個(gè)要求：

① 由內(nèi)壓和溫度引起的軸向應(yīng)力按下列公式計(jì)算：

對(duì)于輸氣管道應(yīng)力的校核，國(guó)內(nèi)通常依照GB50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求[16]，國(guó)外通常遵循ASME B31.8《氣體輸送和分配管道系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)[17]，這兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于應(yīng)力校核的方法基本一致，CAESAR II 軟件應(yīng)力的校核遵循ASME B31.8 的要求。

根據(jù)應(yīng)力基本特征可以將管道應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和操作應(yīng)力。一次應(yīng)力是由于壓力、重力和其他外力載荷作用而在管道內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，是平衡外力荷載所需的，隨外力荷載的增加而增加。二次應(yīng)力是由于熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移荷載的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，不直接與外力相平衡。由于載荷、結(jié)構(gòu)形狀的局部突變而引起局部應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值稱為操作應(yīng)力，是導(dǎo)致脆性斷裂和疲勞破壞的原因[18]。為保證管道的強(qiáng)度安全，危險(xiǎn)點(diǎn)處最大工作應(yīng)力不允許達(dá)到(或接近)材料的極限應(yīng)力[19]。

在進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，一般規(guī)定許用應(yīng)力[ ]σ作為衡量構(gòu)件是否滿足強(qiáng)度要求的依據(jù)，[σ]=F?σ，其中F值為不同地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，?為焊縫系數(shù)。管道由于熱脹冷縮、曲率發(fā)生突變、端點(diǎn)附加位移會(huì)受到約束，產(chǎn)生相應(yīng)的軸力、剪力、彎矩和扭矩，一般需要進(jìn)行一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和操作應(yīng)力的校核[20]。

式中，[ ]σ為管材的許用應(yīng)力，MPa；Lσ為由壓力引起的縱向應(yīng)力與重力、風(fēng)荷載等外載荷在管道中產(chǎn)生的縱向彎曲應(yīng)力之和，MPa；Eσ為二次應(yīng)力，MPa；aσ為許用應(yīng)力范圍，MPa；cσ為管材在20℃時(shí)的許用應(yīng)力，MPa；sσ為管道材料標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度，MPa；σOPE為操作應(yīng)力，MPa；f為預(yù)期壽命內(nèi)，考慮循環(huán)總次數(shù)影響的許用應(yīng)力范圍減少系數(shù)。

縱向滑坡體土體的滑動(dòng)方向與斜坡敷設(shè)管道的軸線方向相同，所受的均布載荷方向主要有：管道的軸向和縱向的滑坡推力[21]。由圖2 和表1 可知，老紅坡區(qū)天然氣管道易滑坡地點(diǎn)產(chǎn)生的滑坡屬縱向滑坡，因此在計(jì)算縱向滑坡推力的均布載荷時(shí)，軸向滑坡推力為滑坡推力與α(滑坡面與水平面間的夾角)余弦值的乘積；縱向滑坡推力為滑坡推力與α(滑坡面與水平面間的夾角)正弦值的乘積[22]。

4. 老紅坡易滑坡段管道應(yīng)力分析

1) 應(yīng)力校核判據(jù)

根據(jù)老紅坡易滑坡段輸氣管道的設(shè)計(jì)資料，整段管線全部采用埋地敷設(shè)的方式，為嵌固管道模型。地區(qū)等級(jí)按GB50251 標(biāo)準(zhǔn)[24]中劃分方式為1 級(jí)，設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72?？v向穿越滑坡體示意圖，見(jiàn)圖5。

Figure 5. Schematic diagram of longitudinal traversing landslide body圖5. 縱向穿越滑坡體示意圖

滑坡參數(shù)、管道參數(shù)、土壤參數(shù)以及工況的設(shè)置情況如表2～5 所示。

Table 2. Basic parameters of easy landslide表2. 老紅坡易滑坡基礎(chǔ)參數(shù)

Continued

Table 3. Pipeline foundation表3. 管道基礎(chǔ)

Table 4. Soil parameters表4. 土壤參數(shù)

Table 5. Working condition establishment表5. 工況建立

3) 滑坡時(shí)管道應(yīng)力分析

根據(jù)詳細(xì)基礎(chǔ)構(gòu)建物理模型進(jìn)行分析，明確易滑坡區(qū)管線應(yīng)力情況如圖6。

Figure 6. Stress analysis results of different working conditions. (a) W + P1 Working condition stress (Wall thickness 6.5 mm/Sandy soil); (b) W + P1 Working condition stress (Wall thickness 12.5 mm/Ceramsite); (c) W + P1 + U1 Working condition stress (Wall thickness 6.5 mm/Sandy soil); (d) W + P1 + U1 Working condition stress (Wall thickness 12.5 mm/Ceramsite); (e) U1 Working condition stress (Wall thickness 6.5 mm/Sandy soil); (f) U1 Working condition stress(Wall thickness 12.5 mm/Ceramsite)圖6. 不同工況應(yīng)力分析結(jié)果。(a) W + P1 工況應(yīng)力(壁厚6.5 mm 沙土)；(b) W + P1 工況應(yīng)力(壁厚12.5 mm 陶粒)；(c) W + P1 + U1 工況應(yīng)力(壁厚6.5 mm 沙土)；(d) W + P1 + U1 工況應(yīng)力(壁厚12.5 mm 陶粒)；(e) UI 工況應(yīng)力(壁厚6.5 mm 沙土)；(f) UI 工況應(yīng)力(壁厚12.5 mm 陶粒)

同理分析了不同管壁厚度情況下應(yīng)力狀況，結(jié)果如表7、表8 所示。

分析可以發(fā)現(xiàn)，在[OCC] W + P1 + U1 工況下，根據(jù)不同鋼管壁厚計(jì)算滑坡推力作用下的應(yīng)力，其應(yīng)力比率分別為1457.83%和907.47%。按應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)校核，在加大壁厚的情況下此工況也未能通過(guò)，但是對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力卻顯著減小，因此在其它條件不變的情況下，加大管道壁厚是解決滑坡破壞的解決辦法之一。

Table 6. Maximum stress calculation under current working conditions表6. 目前工況下最大應(yīng)力計(jì)算情況

Table 7. Maximum stress calculation under current working conditions of wall thickness 7.5 mm表7. 壁厚7.5 mm 工況下最大應(yīng)力計(jì)算情況

Table 8. Maximum stress calculation under current working conditions of wall thickness 12.5 mm表8. 壁厚12.5 mm 工況下最大應(yīng)力計(jì)算情況

若按應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，ε值分別為0.02154 和0.01341，因此管線的設(shè)計(jì)也是不安全的。由于覆土在滑坡地質(zhì)危害中也起到很大的作用，可以通過(guò)降低覆土作用來(lái)保障滑坡時(shí)管道的安全，為此進(jìn)行了陶粒(陶粒密度約為本項(xiàng)目沙土的1/5)填充覆土的計(jì)算分析。結(jié)果如表9。

Table 9. Maximum stress calculation under current working conditions of wall thickness 12.5 mm with ceramsite表9. 壁厚12.5 mm 工況下最大應(yīng)力計(jì)算情況(采用陶粒)

從表9 可知，當(dāng)壁厚為12.5 mm 時(shí)并對(duì)滑坡地段采用陶粒填充覆蓋(陶粒密度約為本項(xiàng)目沙土的1/5)以減少滑坡推力的作用，各工況下最大應(yīng)力均滿足要求。而管道壁厚為11 mm，滑坡工況校核結(jié)果是未獲通過(guò)。

以此為基礎(chǔ)，針對(duì)降低覆土密度的情況，開(kāi)展了沙土回填和陶粒回填兩種情況下比對(duì)，結(jié)果如表10、表11。

Table 10. Stress of each node or monitoring point under landslide conditions of [OCC] W + P1 + U1 with Wall thickness 12.5 mm by backfilling sandy soil表10. 壁厚12.5 mm 回填沙土[OCC] W + P1 + U1 滑坡工況下各節(jié)點(diǎn)或監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

Table 11. Stress of each node or monitoring point under landslide conditions of [OCC] W + P1 + U1 with Wall thickness 12.5 mm by backfilling ceramsite表11. 壁厚12.5 mm 回填陶粒[OCC] W + P1 + U1 滑坡工況下各節(jié)點(diǎn)或監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

分析表10、表11 應(yīng)力分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，若縱向滑坡的產(chǎn)生會(huì)造成管道應(yīng)力過(guò)載，軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力較大的節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)在彎管處，彎頭處是復(fù)雜應(yīng)力的集中點(diǎn)。應(yīng)采用增大管道壁厚和優(yōu)選低密度回填材料等多措并舉的方法才能有效解決管道應(yīng)力超載的狀況。

5. 結(jié)論與建議

1) 結(jié)論

通過(guò)對(duì)老紅坡區(qū)天然氣管道應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，明確了易滑坡區(qū)管線軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力較大的節(jié)點(diǎn)。通過(guò)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力較大的節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)在彎管處，彎頭處是復(fù)雜應(yīng)力的集中點(diǎn)。

利用CAESAR II 軟件開(kāi)展滑坡時(shí)管道應(yīng)力分析，針對(duì)老紅坡區(qū)天然氣管道易滑坡位置處，通過(guò)增加管道壁厚和改變回填材料性質(zhì)減小滑坡推力，能夠有效避免滑坡時(shí)管道應(yīng)力超載。

2) 建議

CAESAR II 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果趨于保守，可采用其它有限元軟件分析管線直徑、壁厚、滑坡段長(zhǎng)度、埋深、土壤性質(zhì)等因素對(duì)管線穿越滑坡段的應(yīng)力應(yīng)變影響，以便做出更精確的數(shù)值計(jì)算。