高落差埋地X80含腐蝕缺陷管道地震響應(yīng)研究

伍穎 李都 陳朗

摘要：由于我國(guó)西南地區(qū)山脈連綿，存在大量高落差埋地輸氣管道，并且隨著服役年限延長(zhǎng)也會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕。同時(shí)山區(qū)高落差埋地含腐蝕管道在地震作用下受力復(fù)雜，而目前難以通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)或者在試驗(yàn)中完成其地震響應(yīng)研究。為此，基于西南地區(qū)某一典型高落差埋地X80管道的實(shí)際工況，建立了地震作用下高落差埋地含腐蝕X80管道有限元模型，探討了腐蝕深度、腐蝕寬度和腐蝕長(zhǎng)度對(duì)高落差埋地含腐蝕管道地震動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：在地震波和內(nèi)壓的加載下，腐蝕深度的增加會(huì)使最大等效應(yīng)力呈線性向上增加趨勢(shì)，而內(nèi)壓和敷設(shè)角度會(huì)影響管道發(fā)生腐蝕后的初始應(yīng)力值；最大等效應(yīng)力隨腐蝕長(zhǎng)度的增大而增大，當(dāng)敷設(shè)角度為60°時(shí)，腐蝕長(zhǎng)度超過(guò)0.3D（D為管道外徑）后，敷設(shè)角度對(duì)管道最大等效應(yīng)力的影響超過(guò)了腐蝕長(zhǎng)度；最大等效應(yīng)力隨腐蝕寬度的增大而減小；通過(guò)參數(shù)敏感性分析得出，腐蝕深度對(duì)地震作用下高落差埋地管道最大等效應(yīng)力影響最大（占比為0.71），其次為腐蝕長(zhǎng)度（占比為0.27），腐蝕寬度影響最小（占比為0.02）。在天然氣管道設(shè)計(jì)和施工階段，應(yīng)避免敷設(shè)角度大于45°，對(duì)于在役管段出現(xiàn)腐蝕處應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其腐蝕深度。所得結(jié)論可為山區(qū)長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)安全和工程管理提供參考。

關(guān)鍵詞：埋地輸氣管道；高落差；腐蝕缺陷；地震響應(yīng)；有限元

In mountainous Southwest China， there are a large number of high drop buried gas pipelines， which have corroded to different degrees with the service life.Moreover， these corroded pipelines were subject to complex forces under the action of earthquakes；and unfortunately， their seismic responses can hardly be obtained by field monitoring or tests.Considering the actual working conditions of a typical high drop buried X80 pipeline in Southwest China， a finite element model of high drop buried corroded X80 pipeline under seismic action was built， and the influences of corrosion depth， corrosion width and corrosion length on the seismic dynamic response of high drop buried corroded pipeline were identified.The study results show that under the loading of seismic wave and internal pressure， the increase of corrosion depth makes the maximum equivalent stress increase linearly upward， while the internal pressure and laying angle affects the initial stress value of the pipeline after corrosion.The maximum equivalent stress increases with the increase of corrosion length.When the laying angle is 60° and the corrosion length exceeds 0.3D， the influence of the laying angle on the maximum equivalent stress of the pipeline exceeds that of the corrosion length.The maximum equivalent stress decreases with the increase of corrosion width.The parameter sensitivity analysis shows that the corrosion depth has the greatest influence on the maximum equivalent stress of high drop buried pipeline under seismic action， accounting for 0.71， followed by corrosion length， accounting for 0.27， and the corrosion width has the least influence， accounting for 0.02.Therefore， in the design and construction stage of natural gas pipeline， the laying angle should be avoided to be greater than 45°， and for the corrosion area of inservice pipeline， monitoring should focus on the corrosion depth.The conclusions provide reference for the design， operation safety and project management of longdistance pipelines in mountainous areas.

buried gas pipeline；high drop；corrosion defect；seismic response；finite element

0 引 言

我國(guó)地勢(shì)復(fù)雜，西高東低，山地面積占全國(guó)國(guó)土面積的70％。在天然氣管道規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工建設(shè)過(guò)程中，大部分長(zhǎng)輸天然氣管道都不可避免地要穿越地面障礙物，但因隧道穿越施工難度大、成本高，又因高陡坡地帶山體底面積較大，不宜采用隧道穿越或繞行的方式［1］，一般采用沿坡埋地敷設(shè)方式，從而形成眾多高落差（大落差）埋地管道。高落差埋地管道具有坡度陡、落差大及彎管多的特點(diǎn)，且隨著服役年限的延長(zhǎng)及內(nèi)部介質(zhì)和外部環(huán)境的影響使其難以避免遭受腐蝕，在地震作用下結(jié)構(gòu)極易發(fā)生應(yīng)力集中。因此高落差埋地含腐蝕缺陷管道的抗震安全性也就備受關(guān)注。

自20世紀(jì)60年代，大量學(xué)者就缺陷管道的失效行為和失效評(píng)估進(jìn)行了研究，形成了多個(gè)評(píng)價(jià)腐蝕缺陷管道性能的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如美國(guó)的ASME B31G［2］和API 579［3］、挪威船級(jí)社的DNV RP-F101［4］、英國(guó)的BS 7910［5］等。天然氣管道腐蝕是一個(gè)連續(xù)可變的過(guò)程，隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，天然氣管道由于內(nèi)部介質(zhì)以及土壤因素等出現(xiàn)不同程度的腐蝕，導(dǎo)致力學(xué)和抗震性能持續(xù)下降。因此，如果不考慮管道發(fā)生腐蝕這一情況，可能會(huì)導(dǎo)致破壞性甚至災(zāi)難性的后果。2007年，劉威等［6］建立了地震作用下動(dòng)態(tài)線性腐蝕管道分析模型，并解釋其作用。2008年，LIU W.等［7］基于彈性地基梁法和隨機(jī)攝動(dòng)法建立了地震作用下腐蝕管道響應(yīng)方法，并用該方法計(jì)算了地震作用下管道位移和應(yīng)力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，且驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。2012年，QI H.B.等［8］采用有限元法分別對(duì)有、無(wú)缺陷埋地輸油管道進(jìn)行地震響應(yīng)分析，結(jié)果表明，腐蝕缺陷對(duì)管道地震響應(yīng)影響較大。2015年，管友海等［9］建立了地震作用下架空管道與內(nèi)部流體的液固耦合模型，指出無(wú)論是內(nèi)腐蝕還是外腐蝕，當(dāng)管道腐蝕深度超過(guò)管壁厚度的70％時(shí)，在地震作用下管道都會(huì)有破壞危險(xiǎn)。2016年，譚現(xiàn)東等［10］建立了地震作用下含腐蝕缺陷的架空輸油管道有限元模型，分析了不同腐蝕深度、腐蝕位置以及場(chǎng)地土下的地震反應(yīng)規(guī)律。2017年，王桂萱等［11］以埋地腐蝕管線為研究對(duì)象，探究了腐蝕深度、寬度、腐蝕位置和埋深等參數(shù)對(duì)管線抗震性能的影響。2018年，LI Q.Z.等［12］利用有限元軟件建立了熱流固多場(chǎng)耦合力學(xué)模型，分析了流體壓力、流體溫度、腐蝕缺陷和地震波對(duì)管道力學(xué)性能的影響，結(jié)果指出，相對(duì)于腐蝕深度，流體壓力和流體溫度對(duì)腐蝕管道的力學(xué)性能有明顯影響。2020年，劉海水［13］運(yùn)用有限元軟件研究了地震作用下不同溫度梯度對(duì)管道腐蝕缺陷處應(yīng)力分布的影響。2021年，WANG Y.H.等［14］研究了管道地震作用下局部腐蝕對(duì)管道安全性的影響。同年，鄭山鎖等［15］采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析，揭示了不同土壤環(huán)境下多齡期埋地鋼管的地震響應(yīng)規(guī)律。

綜上所述，目前對(duì)腐蝕管道抗震研究各有側(cè)重點(diǎn)：一方面重點(diǎn)關(guān)注腐蝕在時(shí)域上的變化，評(píng)估地震作用下腐蝕管道的安全性；另一方面關(guān)注熱流固多場(chǎng)耦合力學(xué)，期望達(dá)到數(shù)值模擬的真實(shí)性。但都只是關(guān)注埋地直管的腐蝕，缺乏對(duì)腐蝕彎管的研究，對(duì)于高落差埋地含腐蝕管道在地震作用下的力學(xué)研究更是少之又少。為此，筆者根據(jù)山區(qū)管道腐蝕類型，選取了管道腐蝕簡(jiǎn)化模型；基于ABAQUS軟件建立了管土相互作用模型，腐蝕缺陷建立在高應(yīng)力區(qū)域；探討了不同腐蝕深度、腐蝕寬度及腐蝕長(zhǎng)度等因素對(duì)高落差埋地管道力學(xué)特性的影響規(guī)律；通過(guò)敏感性分析得到高落差含腐蝕缺陷埋地管道在地震作用下腐蝕參數(shù)對(duì)管道應(yīng)力的影響程度，以期為山區(qū)長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)施工、運(yùn)營(yíng)安全和工程管理提供理論參考。

1 管道腐蝕類型的選取

由于天然氣管道服役時(shí)間的延長(zhǎng)，管道腐蝕現(xiàn)象日益嚴(yán)重，即使管道企業(yè)采取加陰極保護(hù)系統(tǒng)、涂覆防腐層等多種防護(hù)措施，仍然無(wú)法避免腐蝕。根據(jù)某檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)數(shù)據(jù)［16］，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷共計(jì)20 706處，其中內(nèi)腐蝕20 635處占比98.2%，外腐蝕71處占比1.8%。因此，本文采用內(nèi)腐蝕缺陷來(lái)模擬高落差埋地含腐蝕X80管道的地震動(dòng)力響應(yīng)特性。

內(nèi)腐蝕缺陷形狀主要有蝕坑和溝槽狀腐蝕，常用橢圓形、均勻壁厚、拋物線形進(jìn)行規(guī)則化處理，處理形式如圖1所示。對(duì)于壁厚為t的天然氣管道，拋物線形腐蝕缺陷簡(jiǎn)化模型是以實(shí)際腐蝕最大深度a和腐蝕缺陷的投影長(zhǎng)度l來(lái)表示，簡(jiǎn)化的面積為A=23la。等深度矩形簡(jiǎn)化模型是以實(shí)際腐蝕深度平均值和腐蝕缺陷投影長(zhǎng)度來(lái)表示，簡(jiǎn)化后面積為A=0.85la，即簡(jiǎn)化的平均深度為0.85a。

等深度腐蝕缺陷在模擬中腐蝕位置的剩余厚度基本相同，腐蝕底部是與管道同軸的圓柱面；橢圓形腐蝕為內(nèi)凹的球面，通常用來(lái)模擬缺陷長(zhǎng)度和寬度較小的蝕坑，腐蝕中間深兩邊淺；拋物線腐蝕底面類似拋物線，對(duì)于寬度較大的缺陷不易模擬。為分析含缺陷管道在缺陷處附近應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律，需研究不同腐蝕深度、腐蝕長(zhǎng)度及腐蝕寬度對(duì)管道的影響，并且腐蝕長(zhǎng)、寬、深變化范圍較大。因此，本文選取等深度腐蝕作為腐蝕缺陷的簡(jiǎn)化模型。

2 地震作用下高落差含腐蝕管道有限元模型

2.1 有限元模型建立

由于西南地區(qū)某天然氣管道沿線地形地質(zhì)條件復(fù)雜，多數(shù)管線處于抗震設(shè)防烈度為6烈度及以上的山區(qū)，具有長(zhǎng)距離、大口徑、高壓力及高落差的特點(diǎn)，所以本文基于西南地區(qū)某一典型高落差埋地X80管道實(shí)際工況進(jìn)行模型建立，并且選取有限元軟件ABAQUS進(jìn)行建模分析。

2.1.1 條件假設(shè)

在數(shù)值建模時(shí)，做出如下基本假設(shè)：

（1）管道埋地段采用同一種土體，土體不產(chǎn)生大變形，且未考慮材料的各向異性。

（2）不考慮溫度及管材隨機(jī)性對(duì)管道性能的影響，以及管道連接方式對(duì)管道力學(xué)性能的影響。

（3）假設(shè)地震載荷空間一致性，即管道兩端同步振動(dòng)。

2.1.2 材料參數(shù)

（1）管道參數(shù)。管道設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為10 MPa，鋼材采用X80級(jí)鋼管，管道外徑為1 016 mm，彈性模量為207 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為555 MPa。采用隨動(dòng)雙線性硬化彈塑性模型，該模型遵從von Mises屈服準(zhǔn)則，其表達(dá)式如下：

（2）土體參數(shù)。為了充分了解土壤物理性能以及為后續(xù)有限元數(shù)值模擬提供重要的土體參數(shù)，按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［18］進(jìn)行土的物理性能試驗(yàn)。試驗(yàn)先對(duì)土樣進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)土樣的基本形狀符合試驗(yàn)要求后再進(jìn)行大量取土。本文主要利用電子天平、沙浴鍋、全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀、應(yīng)變控制式直剪儀等儀器測(cè)定土樣的天然密度、壓縮模量以及內(nèi)摩擦角等基本參數(shù)。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得土體的密度為1 880 kg/m3，內(nèi)摩擦角為14.7°，壓縮模量為6.58 MPa，黏聚力為20 kPa，為某種黏土。根據(jù)文獻(xiàn)［19］取其彈性模量為18 MPa，泊松比為0.38。由于DruckerPrager彈塑性本構(gòu)模型對(duì)土體的彈塑性特征描述較為準(zhǔn)確，尤其是可以反映土體對(duì)管道的摩擦與支撐作用，所以土體的本構(gòu)模型采用ABAQUS軟件中自帶的DP模型。

2.1.3 模型簡(jiǎn)化

本文選取的高落差埋地管道可分為上彎管和中部直管以及下彎管3個(gè)部分。管道高程為H=30 m，敷設(shè)角度α=50°，管材為X80管道，外徑D=1 016 mm，壁厚為t=15.3 mm，埋深為h=2 m，上彎管和下彎管曲率半徑ρ=6 m。由于計(jì)算效率的需求，在模型中只能考慮有限長(zhǎng)度的管道，所以對(duì)管道進(jìn)行了幾何模型簡(jiǎn)化，如圖3所示。

2.1.4 管土接觸

管土相互作用采用非線性接觸模型，該理論可以通過(guò)有限元軟件ABAQUS中的“硬”接觸以及主從接觸面來(lái)有效地實(shí)現(xiàn)管土接觸這種非線性行為。通過(guò)表面與表面接觸進(jìn)行力學(xué)約束，設(shè)置剛體較大的管道外表面為主表面，包裹管道的場(chǎng)地土表面為從表面。接觸屬性定義法向行為和切向行為，其中法向行為主要對(duì)土壓力進(jìn)行約束，切向行為主要對(duì)管道與場(chǎng)地土間摩擦力進(jìn)行約束。法向行為定義為“硬”接觸，接觸后可分離；切向行為通過(guò)“罰”函數(shù)進(jìn)行定義，摩擦因數(shù)取0.5［20］。

2.1.5 網(wǎng)格劃分

基于團(tuán)隊(duì)前期研究成果，高應(yīng)力區(qū)域主要位于下彎管附近，因此，為了分析最不利工況，本文將腐蝕缺陷建立在直管與下彎管連接處頂部。含腐蝕管道網(wǎng)格劃分需要確保計(jì)算的準(zhǔn)確性并縮短計(jì)算時(shí)間，具體的實(shí)現(xiàn)方法是：在腐蝕部位密集地布置網(wǎng)格，并對(duì)非腐蝕區(qū)域進(jìn)行粗化網(wǎng)格劃分。由于不同的尺寸模型劃分的網(wǎng)格數(shù)量不同，腐蝕處網(wǎng)格沿軸向、圓周方向以及徑向的網(wǎng)格尺寸分別為30、50以及2 mm，如圖4所示。

模型響應(yīng)結(jié)果可行性的必要條件是執(zhí)行網(wǎng)格敏感性分析，以落差高度30 m、敷設(shè)角度45°、彎管曲率6 m、腐蝕深度0.3t、腐蝕寬度0.3D、腐蝕長(zhǎng)度0.3D為例，對(duì)高落差埋地含腐蝕管道依次加載重力（g=9.8 m/s2）、內(nèi)壓（10 MPa）及地震載荷（0.2g）。通過(guò)反復(fù)改變圓周方向、縱向方向和軸向腐蝕的網(wǎng)格尺寸，計(jì)算腐蝕管道的最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)量，結(jié)果如表1所示。由表1可知，當(dāng)總網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到12萬(wàn)后，最大等效應(yīng)力趨于穩(wěn)定，所以本文采用方案4進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

2.1.6 邊界條件

邊界條件一般包括簡(jiǎn)單邊界、黏性邊界及黏彈性邊界3種。一般來(lái)講，黏彈性邊界的精度要高于黏性邊界和簡(jiǎn)單邊界［21］。因此，本文在模型底部約束豎向位移，場(chǎng)地四周邊界則采用目前較為成熟的黏彈性人工邊界來(lái)處理場(chǎng)地邊界，人工邊界法向與切向的彈簧剛度參考谷音等［22］的研究成果：

2.1.7 地震動(dòng)輸入

采用動(dòng)力響應(yīng)法進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，一般采用地震加速度時(shí)程作為地震動(dòng)輸入。ABAQUS中地震波一般用表格（Table）的文本格式代替時(shí)程加速度曲線讀入到軟件中，然后將時(shí)程加速度作為邊界約束條件施加到模型底部上作為地震動(dòng)輸入，分析步時(shí)間設(shè)置為0.02 s。水平方向上的地震動(dòng)多用于地上結(jié)構(gòu)，垂直方向上的地震動(dòng)多用于地下結(jié)構(gòu)。因此，本文選擇沿場(chǎng)地土底部向Y軸方向施加一致地震波激勵(lì)。地震波（EI波）輸入如圖5所示。

2.2 模型驗(yàn)證

相似的數(shù)值模型或試驗(yàn)可以執(zhí)行有限元模型驗(yàn)證。在這項(xiàng)工作中，有限元模型模擬了遭受地震的高落差埋地腐蝕管道，可以將其驗(yàn)證分解為地震響應(yīng)和局部腐蝕管道的爆破模型。本團(tuán)隊(duì)前期研究成果已證明前者，后者基于A.C.BENJIAMIN等［23］的爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用等效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的極限屈服強(qiáng)度作為破壞準(zhǔn)則，數(shù)值模擬的破壞壓力為20.3 MPa。用下式計(jì)算其偏差值，結(jié)果為4.2×10-2％。由此證實(shí)了所建立的模型可行。

3 腐蝕缺陷對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響分析

3.1 缺陷尺寸選取

含內(nèi)腐蝕管道的腐蝕尺寸示意圖如圖6所示。a、w、l分別為腐蝕缺陷的深度、腐蝕缺陷的寬度及腐蝕缺陷的長(zhǎng)度。通過(guò)上述變化設(shè)計(jì)多工況下的算例，開(kāi)展地震作用下高落差埋地含腐蝕管道地震動(dòng)力響應(yīng)分析。

由圖7可以看出，應(yīng)力云圖左右兩邊大致對(duì)稱，但上下不對(duì)稱。這是高落差埋地管道在Z方向上管道尺寸和腐蝕尺寸以及載荷對(duì)稱，而在Y方向上幾何以及載荷都不對(duì)稱造成的。

含腐蝕天然氣管道等效應(yīng)力云圖可以分為2個(gè)區(qū)域：遠(yuǎn)離腐蝕區(qū)域和腐蝕附近區(qū)域。遠(yuǎn)離腐蝕區(qū)域應(yīng)力基本均勻分布，而腐蝕附近區(qū)域應(yīng)力分布情況復(fù)雜多變，出現(xiàn)最大等效應(yīng)力，此時(shí)管道除了承受內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力外，還要承受地震作用力以及腐蝕處幾何尺寸變化所引起的不連續(xù)應(yīng)力?？拷g尺寸邊界處深受不連續(xù)應(yīng)力的影響，極易發(fā)生強(qiáng)度失效［24］。

為了對(duì)比不同腐蝕深度下腐蝕區(qū)域最大應(yīng)力在管道環(huán)向的分布情況，圖8給出了等效應(yīng)力最大處YZ平面等效應(yīng)力分布隨腐蝕深度變化的關(guān)系曲線。由本團(tuán)隊(duì)的前期研究成果得知，內(nèi)壓和敷設(shè)角度分別是載荷和管道易損性的重要參數(shù)。為分析其影響規(guī)律，圖9給出了不同敷設(shè)角度以及不同內(nèi)壓下埋地管道最大等效應(yīng)力隨腐蝕深度的變化曲線。

由圖8可以看出，腐蝕區(qū)域兩端由于尺寸變化引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致沿管道環(huán)向方向兩端應(yīng)力最大。隨著腐蝕深度增加，管道腐蝕區(qū)域的等效應(yīng)力增加，而非腐蝕區(qū)域的等效應(yīng)力幾乎沒(méi)有改變。

由圖9可以看出：不同腐蝕深度下的管道最大等效應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)，總體上隨著腐蝕深度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)線性向上增長(zhǎng)趨勢(shì)，運(yùn)行壓力和敷設(shè)角度并不影響其應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)，但會(huì)影響管道發(fā)生腐蝕后的起始等效應(yīng)力值；在敷設(shè)角度為30°和45°時(shí)，運(yùn)行壓力對(duì)管道最大等效應(yīng)力的增幅程度遠(yuǎn)大于敷設(shè)角度，在60°時(shí)則反之；當(dāng)敷設(shè)角度為30°時(shí)，在運(yùn)行壓力8 MPa下的管道最大等效應(yīng)力值增幅最大，約為160 MPa，但此工況下的管道均處于彈性階段。敷設(shè)角度為45°時(shí)，最大等效應(yīng)力隨著腐蝕深度的增加幾乎呈線性增長(zhǎng)，在運(yùn)行壓力為10 MPa下，腐蝕深度為0.5t時(shí)，管道達(dá)到屈服狀態(tài)，其余工況管道均處于彈性階段。敷設(shè)角度為60°時(shí)，最大等效應(yīng)力隨著腐蝕深度的增加大致呈線性增加，直至管道達(dá)到屈服狀態(tài)后，最大等效應(yīng)力增長(zhǎng)逐漸平緩，在運(yùn)行壓力分別為10、8和6 MPa下，腐蝕深度分別對(duì)應(yīng)達(dá)到0.2t、0.3t和0.5t時(shí)管道達(dá)到屈服狀態(tài)。因此，對(duì)于在役的高落差埋地X80管道發(fā)生腐蝕后，應(yīng)及時(shí)采取腐蝕修復(fù)措施來(lái)降低管道最大等效應(yīng)力增加的趨勢(shì)。

3.3 腐蝕寬度

為探究地震作用下高落差含不同腐蝕寬度埋地管道的力學(xué)影響規(guī)律，對(duì)不同腐蝕寬度（0.1D、0.2D、0.3D、0.4D、0.5D）高落差埋地管道依次加載重力（g=9.8 m/s2）、內(nèi)壓載荷（10 MPa）和地震載荷（0.2g），計(jì)算地震作用下不同腐蝕寬度對(duì)高落差埋地管道的影響。圖10給出了EI波下2.32 s時(shí)，不同腐蝕寬度下高落差埋地管道腐蝕區(qū)域的應(yīng)力云圖。

由圖10可以看出，隨著寬度增加，最大等效應(yīng)力逐漸減小，主要原因是腐蝕缺陷寬度增加之后，有更長(zhǎng)的腐蝕缺陷減薄區(qū)來(lái)承受因內(nèi)壓而產(chǎn)生的塑性應(yīng)變，相同壓應(yīng)力集中水平略有下降，所以會(huì)出現(xiàn)隨著寬度增加最大等效應(yīng)力逐漸減小的趨勢(shì)。

為了對(duì)比不同腐蝕寬度下腐蝕區(qū)域最大應(yīng)力在管道環(huán)向的分布情況，圖11給出了等效應(yīng)力最大處YZ平面腐蝕區(qū)域等效應(yīng)力分布隨腐蝕寬度變化的關(guān)系曲線圖。圖12給出了不同敷設(shè)角度以及不同內(nèi)壓下埋地管道最大等效應(yīng)力隨腐蝕寬度的變化曲線。

由圖11可以看出：腐蝕缺陷中部等效應(yīng)力明顯比缺陷環(huán)向方向兩端應(yīng)力小；隨著腐蝕寬度增加，管道腐蝕區(qū)域的等效應(yīng)力減小，而非腐蝕區(qū)域的等效應(yīng)力幾乎沒(méi)有改變。由此可見(jiàn)，腐蝕寬度的增加僅會(huì)影響腐蝕區(qū)域應(yīng)力分布。

由圖12可以看出：不同腐蝕寬度下的管道最大應(yīng)力呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，總體上隨著腐蝕寬度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)緩慢向下減小趨勢(shì)；在敷設(shè)角度為30°和45°時(shí)，運(yùn)行壓力對(duì)管道最大等效應(yīng)力的增幅程度遠(yuǎn)大于敷設(shè)角度，在60°時(shí)則反之。在運(yùn)行壓力為10 MPa時(shí)，敷設(shè)角度在30°和45°工況下，不同腐蝕寬度的最大等效應(yīng)力變化趨勢(shì)大體一致，都在緩慢減小，而在敷設(shè)角度為60°工況下，管道已經(jīng)達(dá)到屈服狀態(tài)，且腐蝕寬度的增加對(duì)最大等效應(yīng)力影響極小。在運(yùn)行壓力為8 MPa時(shí)，敷設(shè)角度在30°和45°工況下，最大等效應(yīng)力減小趨勢(shì)較緩，在60°工況下，腐蝕寬度小于等于0.2D時(shí)，管道處于屈服狀態(tài)，在腐蝕寬度大于0.2D后，管道最大等效應(yīng)力減小趨勢(shì)增大。當(dāng)運(yùn)行壓力為6 MPa時(shí)，敷設(shè)角度在30°和45°以及60°工況下，整個(gè)管道都處于彈性狀態(tài)。因此，當(dāng)在役高落差埋地X80管道出現(xiàn)腐蝕后，調(diào)低內(nèi)壓運(yùn)行可以大幅降低管道的最大等效應(yīng)力。對(duì)于設(shè)計(jì)階段的高落差埋地管道應(yīng)盡量采取小于等于45°的角度進(jìn)行敷設(shè)。

3.4 腐蝕長(zhǎng)度

為探究地震作用下高落差含不同腐蝕長(zhǎng)度埋地管道的力學(xué)影響規(guī)律，對(duì)不同腐蝕長(zhǎng)度（0.1D、0.2D、0.3D、0.4D、0.5D）高落差埋地管道依次加載重力（g=9.8 m/s2）、內(nèi)壓載荷（10 MPa）、地震載荷（0.2g），計(jì)算地震作用下不同腐蝕長(zhǎng)度對(duì)高落差埋地管道的影響。圖13給出了EI波下2.32 s時(shí)，不同腐蝕長(zhǎng)度下高落差埋地管道腐蝕區(qū)域的應(yīng)力云圖。

由圖13可以看出：高落差埋地含腐蝕管道在不同腐蝕長(zhǎng)度下，高應(yīng)力區(qū)仍處于腐蝕尺寸邊界處；隨著腐蝕長(zhǎng)度的增加，最大等效應(yīng)力增大，并且不斷向腐蝕缺陷兩端集中。為了對(duì)比腐蝕區(qū)域不同腐蝕長(zhǎng)度下最大應(yīng)力在管道環(huán)向的分布情況，圖14給出了等效應(yīng)力最大處YZ平面等效應(yīng)力分布隨腐蝕深度變化的關(guān)系曲線。圖15給出了不同敷設(shè)角度以及不同內(nèi)壓下埋地管道最大等效應(yīng)力隨腐蝕長(zhǎng)度的變化曲線。

由圖14可以看出：隨著腐蝕長(zhǎng)度的增加，最大等效應(yīng)力逐漸增大；結(jié)合圖14當(dāng)腐蝕長(zhǎng)度為0.1D時(shí)，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在腐蝕區(qū)域中間位置；當(dāng)腐蝕長(zhǎng)度大于0.1D后，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)向方向兩端。

由圖15可以看出：不同腐蝕長(zhǎng)度下的管道最大應(yīng)力呈增長(zhǎng)現(xiàn)象，總體上隨著腐蝕長(zhǎng)度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后逐漸平緩趨勢(shì)；在運(yùn)行壓力為6 MPa時(shí)，此工況下管道均處于彈性狀態(tài)，但在敷設(shè)角度為60°時(shí)，管道最大等效應(yīng)力一直處于增加，且腐蝕長(zhǎng)度大于0.3D后的最大等效應(yīng)力增幅大于0.3D之前的。這說(shuō)明在腐蝕長(zhǎng)度超過(guò)0.3D后，敷設(shè)角度對(duì)管道最大等效應(yīng)力的影響超過(guò)了腐蝕長(zhǎng)度。在運(yùn)行壓力為8 MPa下，敷設(shè)角度為60°，腐蝕長(zhǎng)度小于0.3D時(shí)，管道最大等效應(yīng)力上升趨勢(shì)較快，當(dāng)腐蝕長(zhǎng)度為0.3D時(shí)，管道已經(jīng)達(dá)到屈服破壞，而敷設(shè)角度為45°以及30°時(shí)，此時(shí)等效應(yīng)力的增長(zhǎng)速率逐漸減緩。在運(yùn)行壓力為10 MPa下，比較3種埋地管道敷設(shè)角度，隨著腐蝕長(zhǎng)度的增加，最大等效應(yīng)力增大。敷設(shè)角度在30°和45°工況下，不同腐蝕長(zhǎng)度的最大等效應(yīng)力變化率趨近一致，腐蝕長(zhǎng)度在0.1D～0.3D時(shí)最大等效應(yīng)力增長(zhǎng)較快，在腐蝕長(zhǎng)度大于0.3D后，最大等效應(yīng)力增長(zhǎng)較慢，然后趨于平緩。在運(yùn)行壓力為10 MPa，埋地管道敷設(shè)角度為60°時(shí)，腐蝕深度為0.3t的工況下，無(wú)論腐蝕長(zhǎng)度大小，高落差埋地管道都處于屈服階段。這說(shuō)明敷設(shè)角度和腐蝕深度對(duì)天然氣管道抗震性能非常重要，在天然氣管道設(shè)計(jì)、運(yùn)行階段，應(yīng)避免敷設(shè)角度大于45°且重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其腐蝕深度。

按式（7）分別計(jì)算各參數(shù)對(duì)管道最大等效應(yīng)力的敏感度系數(shù)，得到敏感度系數(shù)與各參數(shù)變化量的關(guān)系曲線，如圖16所示，其中黑色標(biāo)簽為對(duì)應(yīng)參數(shù)的參數(shù)變化量。

由圖16可以看出，管道最大等效應(yīng)力與腐蝕深度、腐蝕長(zhǎng)度呈正方向變化，與腐蝕寬度呈反方向變化。在相同參數(shù)變化下，計(jì)算這3項(xiàng)參數(shù)的敏感性系數(shù)平均絕對(duì)值并做歸一化處理。由結(jié)果可得，腐蝕深度對(duì)地震作用下高落差埋地X80管道最大等效應(yīng)力影響最大，占比0.71；其次為腐蝕長(zhǎng)度，占比0.27；腐蝕寬度對(duì)管道應(yīng)力影響最小，占比0.02。因此，對(duì)于山區(qū)天然氣管道的日常運(yùn)行應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)腐蝕監(jiān)測(cè)管理，對(duì)于出現(xiàn)腐蝕的管段，可采用瀝青、內(nèi)涂層油管［25］、3PE防腐層與外加電流陰極保護(hù)相結(jié)合的方法進(jìn)行腐蝕防護(hù)。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）在無(wú)腐蝕管壁上，等效應(yīng)力分布比較均勻，越靠近腐蝕尺寸邊界，其等效應(yīng)力突變?cè)酱?，最終最大等效應(yīng)力發(fā)生在腐蝕區(qū)域沿管道環(huán)向的兩個(gè)端點(diǎn)處。

（2）隨著腐蝕深度的增加，高落差埋地X80管道最大等效應(yīng)力呈線性向上增長(zhǎng)趨勢(shì)，運(yùn)行壓力和敷設(shè)角度并不影響其應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)，但會(huì)影響管道發(fā)生腐蝕后的起始等效應(yīng)力值，在敷設(shè)角度為30°和45°時(shí)，運(yùn)行壓力對(duì)管道最大等效應(yīng)力的增幅程度遠(yuǎn)大于敷設(shè)角度，在60°時(shí)則反之。因此，在天然氣管道設(shè)計(jì)和施工階段，應(yīng)避免敷設(shè)角度大于45°，對(duì)于在役管段出現(xiàn)腐蝕處應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其腐蝕深度。

（3）隨著腐蝕寬度的增加，高落差埋地X80管道最大等效應(yīng)力逐漸減小，減小的趨勢(shì)隨著腐蝕寬度的增加逐漸增大。當(dāng)運(yùn)行壓力為6 MPa時(shí)，敷設(shè)角度在30°、45°以及60°工況下，整個(gè)管道都處于彈性狀態(tài)。因此，當(dāng)在役高落差埋地X80管道出現(xiàn)腐蝕后，調(diào)低內(nèi)壓運(yùn)行可以大幅降低管道的最大等效應(yīng)力。

（4）隨著腐蝕長(zhǎng)度的增加，高落差埋地X80管道最大等效應(yīng)力增大，增大的趨勢(shì)隨著腐蝕長(zhǎng)度的增加逐漸減小。當(dāng)敷設(shè)角度為60°時(shí)，腐蝕長(zhǎng)度超過(guò)0.3D后，敷設(shè)角度對(duì)管道最大等效應(yīng)力的影響超過(guò)了腐蝕長(zhǎng)度，因此在高落差管道設(shè)計(jì)與運(yùn)行階段，應(yīng)盡量減小敷設(shè)角度。

（5）通過(guò)參數(shù)敏感性分析得出，腐蝕深度對(duì)地震作用下高落差埋地含腐蝕X80管道等效應(yīng)力影響最大，占比0.71，其次為腐蝕長(zhǎng)度，占比0.27，腐蝕寬度對(duì)管道應(yīng)力影響最小，占比0.02。因此，對(duì)于山區(qū)天然氣管道的日常管理應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)腐蝕監(jiān)測(cè)，對(duì)于出現(xiàn)腐蝕的管段，需采取必要的腐蝕防護(hù)措施。

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