煤礦采空區(qū)地面沉降下埋地含腐蝕缺陷天然氣管道安全評價

王志勇，張曉華，智秉瑞

（山西國化能源有限責任公司，山西 太原 030006）

引言

隨著油氣消耗需求的增加，快速增長的地下管網將不可避免地面臨惡劣的環(huán)境，特別是具有巖土工程問題的穿越區(qū)域的路線。其中，引起地面沉降的原因包括但不限于地面超載、土壤液化、隧道施工、凍土融化、地下開采、塌方等，是一種非常復雜而常見的地質現(xiàn)象。當煤礦采空區(qū)地面沉降直接作用在管道上時，地層變形引起的地面移動和塌陷使管道承受拉、壓、彎、剪等荷載。因此，管道中可能發(fā)生塑性變形，進而造成管道開裂、介質泄漏、爆炸等嚴重后果。當這些應力和應變超過管道材料的極限要求時，可能導致管道失效。此時的破壞模式主要有開裂和屈曲。因此，在管道設計和運行過程中都需要進行評價，以避免過度的基礎沉降活動影響管道安全[1-5]。

本文提出了一種評價整個管道安全的新方法，即通過對煤礦采空區(qū)缺陷管道與地面沉降耦合作用下最危險段的極限安全狀態(tài)進行評價。在討論了內壓、沉降位移、腐蝕深度參數等參數的影響。同時，不同牌號的管線鋼的強度和韌性也存在差異。為了進行對比，我們在低品位X65 鋼制成的管道上進行了建模。

1 數值模擬

本文建立了考慮煤礦采空區(qū)地表沉降與埋地管道局部腐蝕缺陷耦合效應的非線性三維管土耦合力學模型，如圖1 所示。利用該模型研究了X80 管線鋼在地面沉降作用下腐蝕缺陷的力學分布和破壞特征。該模型具有軸對稱特性，為提高計算效率，采用半對稱模型。模型沉降區(qū)長度為l0，非沉降區(qū)長度為L-l0。地面沉降區(qū)如圖1-1 中紅色虛線區(qū)域所示。對模型進行收斂分析，優(yōu)化模型尺寸L×W×H=50 m×20 m×12 m。管道外徑為914 mm，壁厚為13 mm。存在腐蝕缺陷的管道截面，如圖1-3 所示。根據前面的分析，采用解析場法進行腐蝕缺陷面積建模的結果，如圖1-4所示。

圖1 地基沉降作用下腐蝕管道的管土耦合模型

選取泥質粉質黏土作為土料，通過選取摩擦角和黏聚力，采用Drucker-Prager 本構模型來反映土的抗剪強度。通過設置黏聚力來調節(jié)屈服面變化。它能很好地反映巖土拉壓不均勻的特性，廣泛應用于壓力敏感土中。泥質粉質黏土密度為1 840 kg/m3，楊氏模量為2 500 kPa，泊松比為0.35，摩擦角為30°，流動應力比為1，黏聚力為29.3 kPa。設回填土與地層土一致，管道埋深為1 m。

2 結果和討論

首先確定分析的路徑。隨后，通過參數研究，探討了具有腐蝕缺陷的煤礦采空區(qū)的壓力管道在地面沉降作用下的力學行為和破壞特征。

2.1 路徑選擇

先用有限元法來揭示無缺陷埋地管道的應變狀態(tài)。當內部壓力3 MPa 和沉降區(qū)長度是20 m，軸向應變分布在頂部和底部的X80 管道在不同沉降位移，軸向應變的增加而沉降位移的增加，和結算中心達到最大。管道頂部和底部的軸向應變分布完全相反，管道頂部的最大軸向壓縮應變數值大于管道底部的最大軸向拉伸應變。

2.2 內部壓力的影響

最大軸向應變在X80 鋼的腐蝕缺陷管道在不同內部壓力下（IP）的沉降位移的缺失和存在（SD）是圖2 所示（一個）?？梢钥闯?，軸向應變的增加而增加的IP SD 的缺失。而SD 的存在則大大增加了管道的局部軸向應變。當IP＜4 MPa 時，SD 占主導地位，隨著IP 的增大，管道的抗變形能力增大，軸向應變隨IP 的增大而減小。反之，IP 占主導地位，軸向應變隨IP 的增大而增大。當IP 大于7.1 MPa 時，軸向應變超過極限壓縮應變，導致管道發(fā)生屈曲破壞。

因此，SD 降低了導致管道腐蝕缺陷處局部屈曲失效的閾值IP。X80 管道在不同IP 下的整體軸向應變分布基本相同，如圖2-2 所示，腐蝕缺陷區(qū)域存在軸向應變極值。當IP 大于7 MPa 時，采空區(qū)腐蝕區(qū)域同時出現(xiàn)拉伸和壓縮軸向應變，最大軸向應變位于缺陷的對稱中心。缺陷區(qū)域外存在明顯的沉降區(qū)（軸向壓縮應變）、過渡區(qū)（軸向拉伸應變）和遠端（應變?yōu)?），因此，管道腐蝕缺陷區(qū)域在地面沉降作用下最容易發(fā)生屈曲破壞。圖2-3 為不同IP 下X80 管道腐蝕缺陷周圍軸向應變分布，地表沉降情況。需要指出的是，腐蝕面積是殼單元渲染的結果?？梢钥闯?，應變集中出現(xiàn)在腐蝕缺陷區(qū)域。隨著IP 值的增加，軸向應變沿腐蝕缺陷的長度和寬度擴展，高應變區(qū)和低應變區(qū)變得更加明顯。最大軸向應變位于腐蝕缺陷的對稱中心。

圖2 不同內壓下X80 管道軸向應變

2.3 沉降位移的影響

不同地面沉降位移下，X65 和X80 鋼管管道腐蝕缺陷處的最大軸向應變如圖3-1 所示。從圖中可以看出，隨著煤礦采空區(qū)地面沉降的增大，兩種鋼質管道的軸向應變均增大，X65 管道的軸向應變大于X80 管道。當SD 約為X65 管徑的30%時，首先發(fā)生屈曲破壞，而X80 管仍在安全范圍內。因此，具有腐蝕缺陷的劣質管道在煤礦采空區(qū)地面沉降下更容易發(fā)生破壞。圖3-2 為X80 管道在不同地面沉降位移下的整體軸向應變分布。從局部放大圖可以看出，腐蝕區(qū)域以軸向壓縮應變?yōu)橹?，且隨著SD 的增大而增大。最大應變位于腐蝕缺陷的對稱中心。在煤礦采空區(qū)沉降區(qū)和過渡區(qū)，軸向應變隨著SD 的增大而更加明顯，而遠端軸向應變?yōu)?。從圖3-3 可以看出，隨著SD 的增大，X80 管道腐蝕缺陷處軸向應變顯著增大，且應變分布具有明顯的對稱性。軸向應變沿腐蝕區(qū)長度和寬度方向增大，最大軸向應變發(fā)生在腐蝕缺陷的基底上，靠近截面對稱中心處。

圖3 不同地面沉降位移下管道軸向應變

3 結論

提出了煤礦采空區(qū)地表沉降與管道局部腐蝕缺陷耦合作用下埋地管道非線性力學分析與安全評價的詳細研究框架。管道頂部和底部的軸向應變分布完全相反，管道頂部的最大軸向壓縮應變數值大于管道底部的最大軸向拉伸應變。最危險的位置是管道頂部的對稱平面，可能的破壞模式是屈曲破壞。采空區(qū)沉降位移的存在降低了引起管道屈曲破壞的起始壓力。腐蝕缺陷導致管道局部應力應變集中，降低管道承載能力。腐蝕缺陷周圍的局部應變在沉降作用下重新分布和發(fā)展。管道最大軸向應變隨內壓、腐蝕深度、沉降位移的增加而增大，隨腐蝕缺陷長度的增加而減小。