非均勻沉降下沿海天然氣埋地管道安全運(yùn)行分析

摘 要 埋地天然氣管道運(yùn)行安全受地基非均勻沉降現(xiàn)象影響嚴(yán)重。為確保管道安全運(yùn)行，通過(guò)對(duì)沿海地區(qū)埋地天然氣管道進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，獲取管道在地基非均勻沉降影響下的環(huán)向、軸向附加應(yīng)力，并結(jié)合管道工作內(nèi)壓進(jìn)行管道應(yīng)力校核?；贏NSYS軟件建立埋地天然氣管道有限元模型，對(duì)比分析應(yīng)力監(jiān)測(cè)實(shí)際值與數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證了應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和有限元模型的可行性。進(jìn)一步通過(guò)有限元數(shù)值模擬探究管道內(nèi)徑、壁厚和埋土參數(shù)對(duì)管道應(yīng)力的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：在管道敷設(shè)階段，通過(guò)減小管道內(nèi)徑、適當(dāng)增加管道壁厚和選擇較硬的埋土可以減小地基非均勻沉降對(duì)管道的影響。研究成果可為受地基非均勻沉降影響的埋地天然氣管道運(yùn)行安全提供參考。

關(guān)鍵詞 非均勻沉降 埋地天然氣管道 應(yīng)力分析 安全運(yùn)行

中圖分類號(hào) TE973" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2023）01?0076?07

我國(guó)沿海地區(qū)的天然氣站場(chǎng)多建在海濱、湖濱及河流沿岸等地，地質(zhì)條件多為強(qiáng)度低、壓縮性較高的軟土地基，因其流變性和不均勻性易產(chǎn)生非均勻沉降，造成場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)。根據(jù)歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)組織（EGIG）的統(tǒng)計(jì)分析，由于場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)造成的埋地天然氣管道事故占管道事故總數(shù)的16%[1]。

不少學(xué)者通過(guò)有限元數(shù)值模擬研究埋地管道的場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)，TRIFONOV O V和CHERNIY V P研究了活動(dòng)斷層作用下埋地管道的應(yīng)力應(yīng)變情況[2];WANG Y等研究隧道開挖造成的土體隆起及沉降對(duì)管道的影響[3];趙新威等通過(guò)建立土-埋地管道在動(dòng)力接觸條件下的相互作用模型，探究管道在地震載荷作用下的失效過(guò)程[4];馬樹峰等研究高陡邊坡輸氣管道受坡高、管徑、內(nèi)壓和壁厚對(duì)管道應(yīng)力和變形的影響[5];張羽翀等提出坡體蠕滑作用下管道初始應(yīng)力的簡(jiǎn)化思路[6];呂彥偉總結(jié)了管道在土體非均勻沉降作用下的受力變形特征，預(yù)測(cè)管道破壞的臨界條件[7]。還有學(xué)者通過(guò)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)埋地管道進(jìn)行研究，劉玉卿等利用振弦式應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)管道軸向應(yīng)力，建立管道軸向檢測(cè)應(yīng)力的預(yù)警模型[8];WANG F等針對(duì)多年凍土地區(qū)長(zhǎng)輸管道建立了一套全面的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，闡明不同地質(zhì)條件下管道與凍土退化之間的相互作用[9]。以上學(xué)者分別通過(guò)有限元數(shù)值分析和應(yīng)力監(jiān)測(cè)對(duì)埋地管道地場(chǎng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，對(duì)地基非均勻沉降的地場(chǎng)運(yùn)動(dòng)有指導(dǎo)意義，但有限元的結(jié)果難以在實(shí)際工程中得到驗(yàn)證，應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果也存在一定的誤差，無(wú)法校核其準(zhǔn)確性。

筆者選取華南地區(qū)某分輸站為研究對(duì)象，該分輸站處于沿海地區(qū)，站場(chǎng)建成至今非均勻沉降現(xiàn)象嚴(yán)重，通過(guò)對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，判斷非均勻沉降對(duì)管道安全運(yùn)行的影響，基于有限元數(shù)值模擬校核管道應(yīng)力，并探究地基非均勻沉降作用下管道內(nèi)徑、壁厚和埋土性質(zhì)對(duì)管道應(yīng)力的影響。

1 工程概況

筆者對(duì)某分輸站出站管道展開研究，站內(nèi)地基主要由人工填土、粉質(zhì)黏土、砂土構(gòu)成，站外地基主要由淤泥質(zhì)土、淤泥、黏土構(gòu)成，站內(nèi)出現(xiàn)多處沉降，站外較為平整。管道采用專用材質(zhì)L450，內(nèi)徑1 000 mm，壁厚22 mm，最大埋深4 450 mm，通過(guò)對(duì)管道站場(chǎng)周期性（月）測(cè)試記錄，管道運(yùn)行過(guò)程中工作壓力從2021年1月的6.75 MPa逐步調(diào)升至2021年10月的7.61 MPa，出站管道處地基沉降從21.2 mm增至78.6 mm，出站管道實(shí)際工況記錄見表1，這種非均勻沉降現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致出站的埋地管道因受載不均而發(fā)生變形，管道應(yīng)力隨之發(fā)生變化，應(yīng)力的變化實(shí)際是埋地管道與管周土壤相互作用的結(jié)果[10]，應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致管道開裂，發(fā)生泄漏，危害天然氣分輸站運(yùn)行安全，影響下游天然氣供應(yīng)。因此對(duì)分輸站管道進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)與分析對(duì)管道安全意義重大。

2 管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為了避免埋地管道受地基非均勻沉降影響過(guò)大而存在安全隱患，需要掌握埋地管道安全狀態(tài)，通過(guò)對(duì)管道開展應(yīng)力監(jiān)測(cè)，可反映管道受非均勻沉降的應(yīng)力水平，從而評(píng)判管道的安全并采取相應(yīng)對(duì)策措施。應(yīng)力監(jiān)測(cè)是通過(guò)多種設(shè)備和儀器在管道施工、管道安裝和管道運(yùn)行過(guò)程對(duì)管道應(yīng)力變化實(shí)現(xiàn)可視化處理的方法[11]。筆者使用電阻應(yīng)變片法對(duì)分輸站的進(jìn)站管道進(jìn)行周期性（月）應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)中選擇管道應(yīng)力較大且集中的部位，結(jié)合管道走向、結(jié)構(gòu)及焊接位置等因素確定測(cè)點(diǎn)。根據(jù)分輸站管道情況，在進(jìn)站埋地管道上彎頭處設(shè)置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1、2所示，每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿管道的環(huán)向和軸向設(shè)置3組應(yīng)變片進(jìn)行管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)，應(yīng)變片型號(hào)為BE120?3BA兩向直角應(yīng)變片，通過(guò)電纜信號(hào)線將東華DH3815靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀與應(yīng)變片連接，以2 Hz的頻率采集管道因地基非均勻沉降而產(chǎn)生的應(yīng)變數(shù)據(jù)，為方便后續(xù)數(shù)據(jù)分析，取對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)3組應(yīng)變片采集的數(shù)據(jù)的平均值為測(cè)試值。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

因管道有內(nèi)壓，在連接好監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)零平衡，系統(tǒng)平衡后對(duì)管道進(jìn)行周期性（月）監(jiān)測(cè)，記錄監(jiān)測(cè)管道的應(yīng)變值，通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系公式計(jì)算系統(tǒng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力σ和軸向應(yīng)力σ：

σ=（ε+με） （1）

σ=（ε+με）（2）

式中 E——管道用材的彈性模量，200 GPa;

ε——所測(cè)環(huán)向應(yīng)變;

ε——所測(cè)軸向應(yīng)變;

μ——管道用材的泊松比，0.30。

監(jiān)測(cè)過(guò)程中，管道工作內(nèi)壓也有升降，內(nèi)壓變動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致管道應(yīng)力變化，管道工作內(nèi)壓產(chǎn)生的基本應(yīng)力主要有環(huán)向應(yīng)力σ和軸向應(yīng)力σ：

σ=（3）

σ=（4）

式中 D——管道外徑，mm;

p——管道工作內(nèi)壓，MPa;

δ——管道壁厚，mm。

此時(shí)需要減去壓力變化對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值才是地基非均勻沉降造成的管道附加應(yīng)力。

通過(guò)10次應(yīng)變監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，計(jì)算管道4個(gè)測(cè)點(diǎn)因地基非均勻沉降導(dǎo)致的附加環(huán)、軸向應(yīng)力大小，應(yīng)力變化曲線結(jié)果圖3所示。

受地基非均勻沉降影響，4個(gè)測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)大致相同，但呈現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)有所不同：

a. 1#測(cè)點(diǎn)位于彎頭上端，受地基非沉降的作用，直管段受土壓力的影響，對(duì)彎頭上方造成拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力（應(yīng)力數(shù)值為正），最大應(yīng)力為環(huán)向拉應(yīng)力29.14 MPa;

b. 3#測(cè)點(diǎn)位于彎頭下端，與1#測(cè)點(diǎn)上下對(duì)稱，該測(cè)點(diǎn)區(qū)域受下方地基支撐力和直管段的擠壓產(chǎn)生壓應(yīng)力（應(yīng)力數(shù)值為負(fù)），最大應(yīng)力為環(huán)向壓應(yīng)力22.63 MPa;

c. 2#、4#測(cè)點(diǎn)位于彎頭左右兩側(cè)，該測(cè)點(diǎn)區(qū)域受側(cè)向土壓力的影響，產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)在拉-壓應(yīng)力波動(dòng)，但應(yīng)力水平較小，后逐漸轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，最大應(yīng)力為2#測(cè)點(diǎn)的環(huán)向拉應(yīng)力22.69 MPa。

測(cè)試結(jié)果表明非均勻沉降下，埋地管道受載的復(fù)雜性、應(yīng)力狀態(tài)的多變性。彎頭是管道的薄弱部位，受地基非均勻沉降造成的影響最大，地基非均勻沉降容易使彎頭前后出現(xiàn)變形，造成應(yīng)力過(guò)大。

為判斷埋地管道在地基非均勻沉降下的安全狀態(tài)，需要校核管道應(yīng)力。根據(jù)氣體輸送和分配管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[12]要求，由壓力、活載荷和靜載荷以及風(fēng)和地震等耦合荷載在管道中產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和不超過(guò)管道材料最小屈服強(qiáng)度的90%，工程案例中管道載荷主要由管道內(nèi)壓的永久載荷和地基沉降附加在管道上的載荷，管道軸向應(yīng)力校核：

σ=σ+σ≤0.9σ（5）

式中 σ——附加載荷產(chǎn)生的管道軸向應(yīng)力，MPa;

σ——管道材料最小屈服強(qiáng)度，MPa。

管道軸向應(yīng)力校核結(jié)果如圖4所示，4個(gè)測(cè)點(diǎn)中，最大軸向應(yīng)力為81.67 MPa，小于材料最小屈服強(qiáng)度的90%（450×0.9=405 MPa），故判定管道屬于安全運(yùn)行狀態(tài)。

3 管道應(yīng)力有限元分析

應(yīng)力監(jiān)測(cè)過(guò)程中可能會(huì)遇到應(yīng)變片失效、設(shè)備數(shù)據(jù)采集時(shí)外部環(huán)境干擾的影響，為了驗(yàn)證應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過(guò)有限元數(shù)值模擬，分析地基非均勻沉降下埋地管道的應(yīng)力，并通過(guò)有限元分析研究影響管道應(yīng)力的因素。

3.1 有限元模型

建立模型與實(shí)物1：1的管道幾何模型，如圖5、6所示，幾何模型參數(shù)見表2、3。

對(duì)模型施加約束條件，整體考慮重力載荷，對(duì)埋土底部和四周施加固定約束，埋土頂部中部設(shè)置豎直向下位移（圖7中綠色部分），表征非均勻沉降，位移參數(shù)與實(shí)際所測(cè)數(shù)據(jù)一致，管道內(nèi)壓與實(shí)測(cè)工況一致，管道模型依據(jù)Ramberg?Osgood本構(gòu)模型，地基埋土本構(gòu)模型依據(jù)Mohr?Coulomb準(zhǔn)則[13]。管道和土體均采用Solid186四面體單元，建立管道與土體之間的面接觸，管道為目標(biāo)幾何體，埋土為接觸幾何體，將模型分別劃分為139 214個(gè)單元和248 029個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖7所示。

3.2 有限元數(shù)值結(jié)果對(duì)比

通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)管土模型進(jìn)行數(shù)值模擬，以第10次應(yīng)力監(jiān)測(cè)實(shí)際工況為例，有限元模擬管道應(yīng)力云圖如圖8所示，實(shí)測(cè)彎頭段模擬應(yīng)力（Von?Mises等效應(yīng)力）最大值189.9 MPa、最小值128.67 MPa、均值為156.24 MPa，根據(jù)GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》[14]，該最大應(yīng)力在安全范圍以內(nèi)。

根據(jù)Von?Mises屈服準(zhǔn)則[15]，計(jì)算管道Von?Mises等效應(yīng)力σ：

σ=（6）

其中σ、σ、σ表示3個(gè)方向（軸、環(huán)、徑）主應(yīng)力。

由于管道滿足薄壁特征，徑向應(yīng)力遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的應(yīng)力，可忽略。將應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)出的管道附加環(huán)軸應(yīng)力與管道內(nèi)壓導(dǎo)致的環(huán)軸應(yīng)力組合計(jì)算Von?Mises等效應(yīng)力，計(jì)算出管道應(yīng)力結(jié)果與有限元模擬應(yīng)力結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

實(shí)測(cè)應(yīng)力變化曲線與模擬應(yīng)力變化曲線，在趨勢(shì)上總體一致，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差最大6.24%，表明應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以反映管道應(yīng)力狀態(tài)的可靠性，同時(shí)該管土模型也能準(zhǔn)確模擬管道在地基非均勻沉降作用下的應(yīng)力狀態(tài)。

3.3 管道應(yīng)力影響因素

通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)和有限元分析可知地基非均勻沉降會(huì)對(duì)管道造成影響，會(huì)使管道產(chǎn)生不可忽視的附加應(yīng)力。為了減小地基非均勻沉降的影響，從管道本身和地基埋土兩方面考慮，通過(guò)有限元模型探究管道受地基非均勻沉降作用的影響因素。參考近階段管道實(shí)際工況數(shù)據(jù)，使模型接近實(shí)際情況，設(shè)置管道內(nèi)壓為7.11 MPa和地基局部沉降70 mm。選擇管道內(nèi)徑、管道壁厚、埋土力學(xué)參數(shù)3個(gè)因素進(jìn)行研究。

3.3.1 管道內(nèi)徑

根據(jù)GB/T 9711—2017對(duì)管道規(guī)格的要求，選擇內(nèi)徑960、1 000、1 100、1 200、1 300 mm5種規(guī)格的管道進(jìn)行管道應(yīng)力數(shù)值模擬，由圖10可見，管道內(nèi)徑越大，地基非均勻沉降造成的影響越大，管道應(yīng)力越大，在選用大口徑管道輸送時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)埋地管道地基的防護(hù)。

3.3.2 管道壁厚

管道壁厚是影響管道剛度和強(qiáng)度的主要因素[16]，依據(jù)GB/T 9711—2017對(duì)管道規(guī)格的要求，選擇管道壁厚17、22、27、32、37 mm5種規(guī)格的管道進(jìn)行管道應(yīng)力數(shù)值模擬，由圖11可見，隨著管道壁厚增加，地基非均勻沉降造成的影響越小，管道應(yīng)力越小，影響趨勢(shì)隨著管道壁厚增加有所放緩。在實(shí)際埋地管道建設(shè)中，可適當(dāng)增加管道壁厚可有效緩解地基非均勻沉降的影響，但管道壁厚過(guò)厚，減緩效果并不明顯同時(shí)加大建設(shè)成本。

3.3.3 埋土參數(shù)

埋土的力學(xué)性能參數(shù)包括：彈性模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力，都是用來(lái)評(píng)價(jià)土的承載力、穩(wěn)定性的參數(shù)。有學(xué)者在做埋土參數(shù)對(duì)管道應(yīng)力影響研究時(shí)，往往都只考慮土的彈性模量，或者將土的各參數(shù)分開研究，這樣缺少實(shí)際指導(dǎo)意義。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）》[17]對(duì)土的力學(xué)性能參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇5種粉質(zhì)黏土研究埋土參數(shù)對(duì)管道應(yīng)力的影響，埋土參數(shù)見表4。

由圖12可見，埋土的抗剪強(qiáng)度越大、抗壓縮強(qiáng)度越大，地基穩(wěn)定性越高，非均勻沉降對(duì)管道的影響越小。在實(shí)際工程中，選擇硬質(zhì)的埋土能夠較好緩解非均勻沉降的影響。

4 結(jié)論

4.1 通過(guò)監(jiān)測(cè)分輸站出站管道應(yīng)力可知，地基非均勻沉降會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生影響，造成管道產(chǎn)生的拉、壓應(yīng)力，出站管道埋地彎頭處4個(gè)測(cè)點(diǎn)中最大拉應(yīng)力為彎頭上端的環(huán)向拉應(yīng)力29.14 MPa，最大壓應(yīng)力為彎頭下端的環(huán)向壓應(yīng)力22.63 MPa。

4.2 通過(guò)管道軸向應(yīng)力校核結(jié)果，最大管道軸向應(yīng)力為81.67 MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中的強(qiáng)度要求，地基非均勻沉降對(duì)管道有一定影響，現(xiàn)階段不會(huì)對(duì)管道安全運(yùn)行造成危害，但仍需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)管理。

4.3 通過(guò)進(jìn)行非均勻沉降埋地管道有限元分析，管道應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果與管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，相對(duì)誤差最大6.24%，驗(yàn)證了應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，針對(duì)存在地基非均勻沉降的埋地管道，實(shí)施管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)能有效反映管道應(yīng)力狀態(tài)，可用于評(píng)估管道安全，同時(shí)建立的有限元管土模型可準(zhǔn)確反映非均勻沉降作用下管道的應(yīng)力狀態(tài)，可為管道運(yùn)行管理提供參考依據(jù)。

4.4 通過(guò)有限元分析研究埋地管道應(yīng)力影響因素，在沿海地區(qū)敷設(shè)輸氣管道時(shí)，為了減小地基非均勻沉降作用對(duì)埋地管道的影響，可采取減小管道內(nèi)徑、適當(dāng)增大管道壁厚、填鋪較硬的埋土等措施。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-03-09，修回日期：2022-04-01）

Analysis of Safe Operation of Buried Coastal Natural Gas

Pipelines under Non?uniform Settlement

MA Xiao?ming， ZHAN Di

（School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology）

Abstract" "The non?uniform settlement of foundations seriously influences operation safety of the buried natural gas pipeline. For purpose of ensuring the safe operation of the pipeline， the stress monitoring of the buried natural gas pipeline in coastal areas was carried out to obtain additional circumferential and axial stress of the pipeline influenced by non?uniform settlement of the foundation， and to check the pipeline stress in combination with working internal pressure of the pipeline. In addition， based on ANSYS software， the finite element model of the buried natural gas pipeline was established and the actual stress monitoring value and the numerical simulation results were contrastively analyzed to verify validity of the stress monitoring data and feasibility of the finite element model; meanwhile， influence of the pipeline’s inner diameter， wall thickness and buried soil parameters on the pipeline stress were further explored through finite element numerical simulation to show that， in the pipeline laying stage， reducing pipeline’s inner diameter， appropriately increasing its wall thickness and selecting harder buried soils can decrease the influence of the foundation’s non?uniform settlement on the pipeline. The research results provide the reference for safe operation of the buried natural gas pipelines affected by the foundation’s non?uniform settlement.

Key words" "non?uniform settlement， buried natural gas pipeline， stress analysis， safe operation

作者簡(jiǎn)介：馬小明（1962-），副教授，從事安全檢測(cè)與失效分析、事故調(diào)查與分析、液化天然氣安全技術(shù)與裝備等研究工作，mars_scut@163.com。

引用本文：馬小明，詹迪.非均勻沉降下沿海天然氣埋地管道安全運(yùn)行分析[J].化工機(jī)械，2023，50（1）：76-82.