灘海輸氣管道非均勻沉降應(yīng)力智能預(yù)測研究*

賴樂年 林濤 郝達(dá) 馬小明

1中海廣東天然氣有限責(zé)任公司

2中國石油華北油田公司

3華南理工大學(xué)

天然氣是我國能源戰(zhàn)略發(fā)展重點(diǎn)資源，預(yù)計(jì)2035 年我國天然氣需求量達(dá)到6 000×108m3[1]，其中約48%國內(nèi)自產(chǎn)，52%需要依賴進(jìn)口。從海上進(jìn)口液化天然氣和通過海上平臺(tái)鉆取天然氣是大勢所趨，因此配套的輸氣管道、LNG接收站、輸氣站及閥室等需建設(shè)在沿海灘涂地區(qū)。灘海地區(qū)的軟土地基極易產(chǎn)生非均勻沉降，威脅著輸氣管道安全[2]，沉降量達(dá)到一定程度后[3]，沒有及時(shí)治理可能發(fā)生天然氣泄漏及爆炸事故。因此，對灘海地區(qū)輸氣管道進(jìn)行應(yīng)力分析和風(fēng)險(xiǎn)管控研究具有重要意義。

馬小明等[4]對不均勻沉降的管道應(yīng)力測量值與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了比較，分析了土體參數(shù)對管道不均勻沉降的影響；沙曉東等[5]使用CAESAR II軟件研究了輸氣管道應(yīng)力與溫度、工作壓力和管徑的變量關(guān)系；趙歡等[6]采用非線性接觸模型研究確定了應(yīng)力集中的區(qū)域；孫穎等[7]、張一楠等[8]、吳昊等[9]分別基于有限元法研究了管道熱應(yīng)力與溫度、壁厚等的影響關(guān)系，研究了土體沉降對跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力場的影響及跨越水平段應(yīng)力場的變化規(guī)律；IIMURA[10]通過監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)和建立彈性地基梁模型，推導(dǎo)了沉降地區(qū)埋地管道的應(yīng)力公式，并對管道應(yīng)力值進(jìn)行了評估；KOURETZIS 等[11]通過分析土壤沉降變形特征，建立了埋地管道的應(yīng)力、應(yīng)變分析模型等。以上學(xué)者對管道應(yīng)力、應(yīng)變的影響因素及敏感性分析的研究較多，對管道非均勻沉降應(yīng)力智能預(yù)測的研究較少。一般情況下，管道應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)僅對管材應(yīng)力、應(yīng)變值進(jìn)行采集、分析和警報(bào)，常因無法有效剔除環(huán)境和土體參數(shù)等因素變化的干擾，導(dǎo)致設(shè)置的預(yù)警值和觸發(fā)應(yīng)急處置的條件相對保守，由此會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)情況，且易因誤報(bào)導(dǎo)致管道運(yùn)營公司產(chǎn)生非必要的檢查和治理費(fèi)用。研究灘海輸氣管道非均勻沉降應(yīng)力預(yù)測模型，可為正常生產(chǎn)運(yùn)營提供智能預(yù)測和預(yù)警功能，使不均沉降治理工作更具計(jì)劃性和經(jīng)濟(jì)性。

1 綜合評估流程

以廣東某閥室天然氣管段為例，該管段的主管道從外部灘海軟土地進(jìn)入閥室局部混凝土硬化地基，然后在閥室內(nèi)連接放空管，出閥室后進(jìn)入外部灘海軟土地基。主管道為Φ914 mm×22.2 mm L450，埋深1 500 mm，放空管為Φ750 mm×15 mm L450 直縫埋弧焊鋼管，部分安裝在地上，管材均為直縫埋弧焊鋼管。輸氣管道建模如圖1所示。

圖1 輸氣管道建模圖Fig.1 Modeling diagram of gas transmission pipeline

依據(jù)該輸氣管道的安裝方式、地質(zhì)條件、管道埋深等特殊工況，結(jié)合國內(nèi)外做法[11-14]，制定了非均勻沉降管道應(yīng)力智能預(yù)測和風(fēng)險(xiǎn)管控的評估流程（圖2）。

圖2 評估流程圖Fig.2 Evaluation flow chart

2 試驗(yàn)方法與研究內(nèi)容

一是進(jìn)行管道應(yīng)力監(jiān)測試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，二是建立管道非均勻沉降應(yīng)力預(yù)測模型，三是有限元分析法進(jìn)行預(yù)測模型驗(yàn)證，四是研發(fā)管道風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)并研究管道安全措施。

2.1 灘海輸氣管道應(yīng)力監(jiān)測試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方案

采用電阻應(yīng)變片，通過靜態(tài)應(yīng)變儀對埋地和地上管道關(guān)鍵部位開展試驗(yàn)。自2014—2020 年長期記錄測點(diǎn)應(yīng)變值，進(jìn)行應(yīng)力校核。圖1 中，測點(diǎn)1為外部灘海軟土地進(jìn)入閥室混凝土硬化地基，測點(diǎn)2、測點(diǎn)3在閥室內(nèi)連接放空管，測點(diǎn)4從閥室混凝土地基進(jìn)入外部灘海軟土地基。

2.1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取2020 年1～12 月4 個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖3）。測點(diǎn)1和測點(diǎn)4環(huán)向應(yīng)力較大，月均達(dá)80 MPa以上；測點(diǎn)2和測點(diǎn)3軸向應(yīng)力較小，月均約為10 MPa；該管段測點(diǎn)1和測點(diǎn)4的附加環(huán)向最大應(yīng)力值為95.43 MPa，軸向最大應(yīng)力值為95.07MPa，此兩處水泥地基和填埋土壤的非均勻沉降作用明顯。

圖3 應(yīng)力數(shù)據(jù)分析Fig.3 Stress data analysis

2.1.3 管道應(yīng)力校核

（1）管道的許用應(yīng)力。依據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，管道許有應(yīng)力計(jì)算如公式（1）所示。綜合考慮本次計(jì)算用的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)k選0.8，管材為L450。依據(jù)式（1）計(jì)算管道許用應(yīng)力為360MPa。

式中：[σ]為管道許用應(yīng)力，MPa；K為強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)，無量綱；σs為管材屈服強(qiáng)度，MPa。

（2）管道的Von-Mises 應(yīng)力。依據(jù)馮·米塞斯準(zhǔn)則式，管道Von-Mises 應(yīng)力計(jì)算如公式（2）所示，計(jì)算結(jié)果見表1。應(yīng)力平均值為198.32 MPa，最大值為236.26 MPa，管道各測點(diǎn)均符合強(qiáng)度校核要求，管道處于安全狀態(tài)。

表1 測點(diǎn)綜合應(yīng)力最大值Tab.1 Maximum comprehensive stress of measuring pointsMPa

式中：σMISES為馮米塞斯應(yīng)力，MPa；σΖ為第一主應(yīng)力，MPa；σθ為第二主應(yīng)力，MPa；σJ為第三主應(yīng)力，MPa。

2.2 管道非均勻沉降應(yīng)力預(yù)測模型

2.2.1 管道非均勻沉降應(yīng)力影響因素分析

沉降應(yīng)力因素分析：①管道工作壓力和工作溫度、土體載荷等作用都可能使管道產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變；②大量降雨時(shí)管道周邊土體的孔隙水壓力增加，導(dǎo)致管道受到四周回填土的壓力載荷作用變大；③外部溫度升降會(huì)導(dǎo)致土體固結(jié)或松弛，進(jìn)而改變管道受到四周回填土的束縛作用；④該管段敷設(shè)在填海地區(qū)，地下水豐富。主要影響因素歸納管道工作壓力、降雨量、外部環(huán)境溫度和潮汐水位等。

2.2.2 應(yīng)力測試數(shù)據(jù)采集

經(jīng)現(xiàn)場測試采集和查閱當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，預(yù)測模型數(shù)據(jù)選擇的時(shí)間總維度為2014 年5 月—2019 年12 月共50 組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集按管道工作壓力、降雨量、測試外部環(huán)境溫度、潮汐水位、沉降應(yīng)力值、總沉降量、管道工作溫度等7要素劃分。每月測試時(shí)記錄環(huán)境數(shù)據(jù)（圖4）。管道工作壓力范圍在6.62～8.63 MPa；降雨量范圍為35 mm～735 mm；外部環(huán)境溫度范圍18.5 ℃～36.7 ℃；潮汐水位范圍0.75～2.75 m。

圖4 數(shù)據(jù)分析圖Fig.4 Data analysis diagram

2.2.3 應(yīng)力影響因素?cái)?shù)據(jù)處理

對管道工作壓力＜0 MPa、溫度＜0 ℃等異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理，使用數(shù)據(jù)插值法對個(gè)別數(shù)據(jù)缺失異常進(jìn)行修復(fù)。在MATLAB數(shù)據(jù)軟件上對上述數(shù)據(jù)采集進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過函數(shù)計(jì)算得出因變量和自變量的相關(guān)系數(shù)矩陣，關(guān)系越顯著則顏色越靠近黃色，如圖5所示。

圖5 自變量與因變量系數(shù)矩陣Fig.5 Matrix of independent variable and dependent variable coefficient

2.2.4 管道非均勻沉降應(yīng)力預(yù)測模型

預(yù)測模型為理論公式推導(dǎo)和預(yù)測部分，依據(jù)靜力平衡方程推導(dǎo)理論公式，分為內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的應(yīng)力和試驗(yàn)前后溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力，公式中的σA、σB使用回歸方程表示，由管內(nèi)工作壓力、潮汐水位、降雨量、外部環(huán)境溫度等特征值進(jìn)行計(jì)算得出。

（2）軸向應(yīng)力預(yù)測模型計(jì)算公式。其計(jì)算式如式（4）所示：

（3）內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的應(yīng)力。管道在持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，由持續(xù)荷載即內(nèi)壓、自重以及其他外載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力計(jì)算如公式（5）、公式（6）所示：

（4）試驗(yàn)前后溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力。與管道材質(zhì)的彈性模量、線性膨脹或收縮系數(shù)及溫差相關(guān)，依據(jù)線膨脹定律、虎克定律及拉壓應(yīng)力表達(dá)式，推導(dǎo)出試驗(yàn)前后溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算公式如式（7）所示：

式中：σh為管道環(huán)向應(yīng)力，MPa；σph為管道內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，MPa；σT為試驗(yàn)前后溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力，MPa；σA為其他特征值的管道環(huán)向應(yīng)力附加值，MPa；σz為管道軸向應(yīng)力，MPa；σpz為管道內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，MPa；σB為其他特征值的管道軸向應(yīng)力附加值，MPa；K0為靜止側(cè)壓力系數(shù)；γt為土體容重，N/m3；Hp為管頂覆蓋土厚度，mm；D0為管道外徑，mm；γg為管道容重，N/m3；γi為管道容重介質(zhì)容重，N/m3；D為管道平均直徑，mm；D1為管道內(nèi)徑，mm；δ為管壁厚，mm ；p為管道工作壓力，MPa；E為管材彈性模量，MPa；α為線性膨脹、收縮系數(shù)；T1為試驗(yàn)后溫度，K；T0為實(shí)驗(yàn)前溫度，K。

（5）回歸模型統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。對部分模型進(jìn)行篩選，因數(shù)據(jù)量限制選擇多元線性回歸、支持向量機(jī)回歸、回歸樹和高斯過程回歸模型進(jìn)行對比。經(jīng)對比分析（表2），多元線性回歸模型的平均絕對誤差、平均相對誤差和均方根誤差最小，擬合程度較好，因此最終選取多元線性回歸模型進(jìn)行應(yīng)力預(yù)測。

表2 四種回歸模型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.2 Statistics of the four regression models

（6）構(gòu)建管道非均勻沉降應(yīng)力預(yù)測模型。在Matlab中運(yùn)用多元線性回歸獲得環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的預(yù)測模型計(jì)算式。預(yù)測模型中自變量多重線性檢驗(yàn)(VIF)和顯著性檢驗(yàn)符合要求（表3），多重線性檢驗(yàn)是為了防止自變量間存在線性關(guān)系，當(dāng)VIF小于5，認(rèn)為不存在共線性。兩個(gè)模型的檢驗(yàn)值均小于0.05，回歸方程效果較好。

表3 自變量多重線性和顯著性檢驗(yàn)Tab.3 Multiple linearity and significance test of independent variables

環(huán)向應(yīng)力預(yù)測模型計(jì)算如公式（8）所示：

本研究的主要工作是通過對含有預(yù)冷變形處理和不含預(yù)冷變形處理的Cu-Ni-Si材料進(jìn)行相關(guān)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和疲勞實(shí)驗(yàn)來研究預(yù)冷變形加工對Cu-Ni-Si材料疲勞性能的影響。

軸向應(yīng)力預(yù)測模型計(jì)算如公式（9）所示：

式中：σPh為管道環(huán)向應(yīng)力，MPa；pi為管道工作壓力，MPa；D為管道直徑，mm；δ為管壁厚，mm；x1為管內(nèi)運(yùn)行壓力，MPa；x2為潮汐水位，mm；x3為降雨量，mm；x4為外部環(huán)境溫度，K；σPz為管道軸向應(yīng)力，MPa；T1為試驗(yàn)后溫度，K。

（7）驗(yàn)證和修正應(yīng)力預(yù)測模型。根據(jù)管道工作壓力添加修正系數(shù)，按降雨量、環(huán)境溫度、潮汐水位等因素劃分級別，對比預(yù)測值與實(shí)測值的相對誤差（表4），研究模型適用性。添加修正系數(shù)后，相對誤差減少，預(yù)測模型具有一定實(shí)用性，當(dāng)降雨量達(dá)500～650 mm 和潮汐水位位于2.0～2.5 m 時(shí)模型預(yù)測效果最佳。

表4 自變量多重線性和顯著性檢驗(yàn)相對誤差Tab.4 Multiple linearity and significance test relative error of independent variables

2.3 管道應(yīng)力有限元分析及預(yù)測模型驗(yàn)證

2.3.1 閥室輸氣管道有限元模型

選擇Drucker-Prager 系列屈服準(zhǔn)則作為土壤本構(gòu)模型[15]，對應(yīng)閥室的管道土壤尺寸為30 m×5 m×5 m，將埋土劃分為A、B、C三部分，A和C為軟土地基，B 為混凝土地基。給A、C 添加沉降位移。

2.3.2 閥室輸氣管道應(yīng)力有限元分析

（1）管道初始應(yīng)力有限元分析。經(jīng)建模分析管道初始應(yīng)力，管道Von-Mises 等效應(yīng)力最大值120.21 MPa，位于測點(diǎn)1 附近；最大軸向應(yīng)力值119.07 MPa，位于測點(diǎn)2 附近。該條件下初始應(yīng)力值測試結(jié)果誤差為4%。

（2）非均勻沉降管道應(yīng)力有限元分析。經(jīng)加載非均勻沉降載荷作用后，管道較大應(yīng)力集中在測點(diǎn)1 和測點(diǎn)4 附近，最大Von-Mises 等效應(yīng)力值228.76 MPa，小于管道許用應(yīng)力，處于安全狀態(tài)（圖6）。該條件下應(yīng)力模擬值相對誤差不超過6%。

圖6 應(yīng)力云圖Fig.6 Stress cloud diagram

（3）管道參數(shù)對管道應(yīng)力影響分析?？紤]土體沉降量為100～180 mm 時(shí)，針對管道不同的埋深、管徑及壁厚等參數(shù)，進(jìn)行對應(yīng)的管道最大Von-Mises 應(yīng)力值分析（圖7）。結(jié)論為：①沉降量較小時(shí)，管道埋深對其應(yīng)力應(yīng)變影響較??；②沉降量增加，管道直徑增大則其應(yīng)力、應(yīng)變明顯增加；③管道壁厚越大則其應(yīng)力、應(yīng)變越小。

圖7 管道參數(shù)對應(yīng)力值影響Fig.10 Influence of pipeline parameters on stress value

（4）土體參數(shù)對管道應(yīng)力影響分析。針對土體不同的彈性模量（2～20 MPa）、黏聚力（10～70 kPa）及內(nèi)摩擦角（15°～35°）等參數(shù)，進(jìn)行對應(yīng)的管道最大Von-Mises 應(yīng)力值分析[4，14]。結(jié)論為：①在沉降量較小時(shí)，土體彈性模量對管道應(yīng)力應(yīng)變影響較小；②隨著沉降量增加，土體內(nèi)摩擦角和土體黏聚力的增大，管道應(yīng)力應(yīng)變明顯增加。

（5）應(yīng)力預(yù)測模型驗(yàn)證和修正。依據(jù)變量關(guān)系，通過Workbench 有限元模擬，月均沉降量為2.35 mm，以此基礎(chǔ)構(gòu)建誤差不大于5%的總沉降量等差數(shù)列；選取相鄰Z市降雨量、Y市2019—2020年月均溫度和站場另一埋地管道溫度與總沉降量共同組成20 個(gè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證集，有限元模擬結(jié)果和應(yīng)力預(yù)測模型計(jì)算結(jié)果誤差均在5%內(nèi)（表5）。

表5 數(shù)據(jù)驗(yàn)證集相對誤差Tab.5 Relative error of data validation set

2.4 基于預(yù)測模型建立風(fēng)險(xiǎn)管控智能平臺(tái)

2.4.1 管道應(yīng)力監(jiān)測預(yù)警準(zhǔn)則和分級標(biāo)準(zhǔn)

按許用應(yīng)力20%為一個(gè)等級，制定管道應(yīng)力監(jiān)測預(yù)警分級為五個(gè)等級。制定預(yù)警準(zhǔn)則：管道本體監(jiān)測為主，堅(jiān)持長周期監(jiān)測，重視管道智能化、數(shù)字化技術(shù)發(fā)展需要；安全預(yù)警優(yōu)于事故處理；合理考慮成本。

2.4.2 管道應(yīng)力預(yù)測和風(fēng)險(xiǎn)管控智能平臺(tái)

基于本文的預(yù)測模型，并依據(jù)上述預(yù)警準(zhǔn)則和分級標(biāo)準(zhǔn)，使用C++配合Qtdesinger 進(jìn)行管道風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)開發(fā)（圖8），逐步實(shí)現(xiàn)非均勻沉降應(yīng)力預(yù)測的智能化。該平臺(tái)目前主要具備如下功能：①可根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，智能判別和預(yù)警；②查詢管道測點(diǎn)分布，監(jiān)測管道應(yīng)力情況，管道應(yīng)力相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分級，歷史報(bào)警次數(shù)和記錄；③查詢以往的管道應(yīng)力數(shù)據(jù)和管道運(yùn)行數(shù)據(jù)及其他影響因素?cái)?shù)據(jù)集；④輸入現(xiàn)場監(jiān)測得到的管道應(yīng)變和工況等數(shù)據(jù)，計(jì)算出管道應(yīng)力，與歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比；⑤輸入影響因素的測試數(shù)據(jù)和現(xiàn)場工況，對管道測點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測仿真。

圖8 平臺(tái)初始界面示意圖Fig.8 Schematic diagram of the initial interface of the platform

2.4.3 制定管道安全防護(hù)措施

結(jié)合灘海地區(qū)輸氣管道工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[16]，基于項(xiàng)目全生命周期，提出全方位的防止非均勻沉降安全措施：

（1）勘察設(shè)計(jì)階段。依據(jù)地質(zhì)條件確定最優(yōu)的地基處理方案；設(shè)置天然氣泄漏智能預(yù)警裝置、緊急關(guān)斷系統(tǒng)等安全設(shè)施；管道采用內(nèi)防腐涂層和3PE外防腐層保護(hù)，并設(shè)陰極保護(hù)措施；合理設(shè)計(jì)管道金屬件接地方案和防爆型電氣設(shè)備選型等。

（2）地基處理階段。站場/閥室工程采用換填法、真空預(yù)壓法和樁基法，防止發(fā)生非均勻沉降。

（3）設(shè)備安裝階段。對關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)檢，提高管道焊接與閥門安裝過程的質(zhì)量控制和安全管理水平。

（4）管道運(yùn)維階段。加強(qiáng)天然氣管道的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測、管道本體安全監(jiān)測及氣質(zhì)組分監(jiān)控等。

3 結(jié)論

（1）通過電阻應(yīng)變片監(jiān)測管道應(yīng)力并校核管道強(qiáng)度，得出管道最大環(huán)向及軸向應(yīng)力的位置均位于不同的地基交接處附近，在管道項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行過程中應(yīng)對此制定相關(guān)防止非均勻沉降方案。

（2）使用Matlab建立基于管道應(yīng)力影響因素的多元線性回歸方程，得出管道應(yīng)力預(yù)測模型，使用修正系數(shù)后，模型精度在3.6%內(nèi)。通過有限元建模加載非均勻沉降載荷，管道最大Von-Mises 應(yīng)力與現(xiàn)場檢測結(jié)果相符。隨著土壤沉降量增加，管道的直徑增加或管道壁厚減小，或土體的內(nèi)摩擦角和土體黏聚力增加，管道應(yīng)力、應(yīng)變均有明顯增加。有限元模擬、應(yīng)力預(yù)測模型計(jì)算的結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)驗(yàn)證集對比，兩者誤差均在5%內(nèi)。本文管道非均勻沉降應(yīng)力預(yù)測模型具有較好的實(shí)用性。

（3）基于C 語言和QTdesinger 進(jìn)行管道應(yīng)力智能預(yù)測和風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)開發(fā)，并從項(xiàng)目不同階段分析，提出軟土地質(zhì)條件下的管道應(yīng)力具體應(yīng)對措施，為灘海輸氣管道工程安全管理工作提供參考。