埋地PE管道失效形式與影響因素研究進展

管道運輸以高效低耗、安全可靠的優(yōu)勢，在國家建設中占據(jù)著重要的地位。隨著“西氣東輸”和“川氣東送\"等重大工程的實施和城市化的高速發(fā)展，管道運輸?shù)膬?yōu)勢更為凸顯，因此被喻為“地下生命線工程”1]。相較于傳統(tǒng)金屬管道，聚乙烯（Polyethylene，PE）管道以其卓越的耐老化、低溫抗沖擊性、耐化學腐蝕性及可撓性等優(yōu)點而作為埋地管道的主要材料之一。發(fā)達國家用于輸送燃氣的聚乙烯管道使用比例超過 90% 且呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢[2-4]。我國聚乙烯管道自1970年后開始呈現(xiàn)出快速增長趨勢，已成為中低壓燃氣管道、城市輸水管道維修和改造的主要材料。截至2008年，PE材料在我國燃氣管道中使用占比已超過 40% 。

埋地聚乙烯管道的服役狀況受多方面因素影響，如埋地情況、管土相互作用、管內工作壓力、地面沉降、地面堆棧及管道缺陷等，嚴重威脅燃氣管道的安全使用[5.6]。研究結果表明，地震引發(fā)的斷層錯動、滑坡、沙土液化導致的永久地面變形在局部區(qū)域引發(fā)的事故率約為地震波的20倍[7＼～1]。隨著城市化的持續(xù)推進，地面上各種違章建、構筑物不可避免地會對埋地管道造成占壓。我國聚乙烯材料主要用于中低壓燃氣管道，在遭受占壓時，極易導致管道變形過大，引發(fā)燃氣泄漏、管道破裂等事故[12-14]。此外，城市地下交通工程、地下水位下降等會導致管道局部區(qū)域產(chǎn)生空洞而引起地面沉降。地面沉降導致該區(qū)域管道喪失土壤支撐而引起管道變形過大，引發(fā)事故[7，15-18]。在社會層面，埋地燃氣管道是城市得以安穩(wěn)發(fā)展的基礎保障，與日常生活、工業(yè)生產(chǎn)密不可分。埋地燃氣管道常密布于住宅、工商業(yè)設施周圍，且燃氣的易燃易爆特性常使埋地燃氣管道事故具有發(fā)生突然、波及范圍廣等特點。在基礎研究和工程實踐層面，總結埋地PE管道的損傷形式，分析其影響因素，有助于更好地指導現(xiàn)場管道安裝、運行維護及提前預警，確保其安全、長期、穩(wěn)定運行。

基于以上分析，從地面沉降、占壓/堆棧作用、管道缺陷及地震誘發(fā)的滑坡和斷層運動典型因素對于埋地PE管道的影響出發(fā)，對國內外的研究進展進行綜述并探討了未來的研究方向。

1地面沉降對埋地PE管道損傷的影響

地面沉降/塌陷是指因地震、地底開挖等自然或者人為因素而導致的管道基礎出現(xiàn)均勻或者不均勻下沉的狀況。管道周圍土壤的不均勻沉降會導致管道自身發(fā)生較大變形，同時管道在內壓和外部土體沉降的協(xié)同作用下發(fā)生軸向拉伸或壓縮、彎曲或扭曲等變形特征。管道在沉陷土體的作用下，出現(xiàn)局部應力集中。過高的局部應力直接導致管道出現(xiàn)大尺度彎曲或者扭曲，直至管道破壞，給埋地管道的正常運行帶來了極大的影響。KENNEDYRP等在分析斷層運動對大直徑淺埋管道性能影響后提出了一種考慮非彈性應變的簡化方法[19]。馮啟民和高惠瑛在結合沉陷區(qū)幾何大變形的基礎上，提出了多載荷協(xié)同作用的管道塑性極限狀態(tài)并構建了埋地聚乙烯管道失效破壞判別準則，同時采用三次曲線和彈性地基梁模型分別模擬沉降區(qū)和非沉降區(qū)的管道變形，討論了沉降參數(shù)、埋深等因素對不均勻沉陷下管道變形的影響[20，21]。 ∣0^′ ROURKEM等提出了一種基于離心機模型試驗的埋地管道在永久地面變形下的相應計算方法，并進一步提出基于控制相似關系的模型管道物理特性確定方法[22]。TAFRESHISNM等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測和試驗研究相結合的方法，系統(tǒng)分析了循環(huán)載荷作用下的埋地 HDPE（High Density Polyethy-lene，HDPE）管道在不同土地密度、覆土層厚度下管道變形與沉降深度的關系[23-25]。柳春光和馮曉波將土介質簡化為彈塑性彈簧作為埋地管線在非均勻沉降時的邊界條件，代替遠離沉陷區(qū)直線段管線的變形，其認為可以更加真實模擬埋地管道受到沉陷作用時的運動規(guī)律，計算結果與固定邊界模型計算的最大應力幾乎相同[26]。陳志磊采用試驗研究方法，分析了管道周圍土體塌陷下，管道直徑和壁厚對其沉降和變形的影響。KOURETZISGP等在解決方案中引入材料非線性效應，同時考慮管道伸長對其響應的影響，提出了一種適用于鋼、HDPE、混凝土和鑄鐵管道內力和應變計算的方法，并分析了地面沉降和隆起情況下的管線內力和應變情況，其認為此種方法可以作為管道設計實踐中經(jīng)常使用的精細3D非線性數(shù)值分析的潛在替代方案[27]。趙忠忠利用彈性地基梁法對沉陷作用下的管道應力和變形進行了分析，發(fā)現(xiàn)管道的最大應力位于沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)交界面處，且沉陷區(qū)管道的最大應力主要由管道內壓產(chǎn)生的軸向應力與沉陷作用產(chǎn)生的彎曲應力和軸向應力共同組成，沉陷深度、沉陷區(qū)寬度、管徑大小、埋深是影響沉陷區(qū)管道變形的主要影響因素[28]。周敏等利用室內全尺寸大型模型試驗系統(tǒng)，以粗砂作為管道開挖溝槽回填料，通過調整模型箱底板的下沉，模擬地層沉陷形成過程，得到了埋地HDPE雙壁波紋管道的受力變形特性及其上覆回填料土體的沉降分布規(guī)律[29]

文獻[14，30]對垂直于沉降方向聚乙烯管在地基沉降作用下的強度失效進行數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)，PE管的最大Mises應力隨著沉降位移的增加而增加，危險區(qū)域出現(xiàn)在過渡區(qū)與沉陷區(qū)或非沉陷區(qū)的銜接段。以管道屈服為失效判斷準則，管道屈服的沉陷位移隨過渡區(qū)距離的增加而增大，故對于沉陷位移相同的PE管道，過渡區(qū)距離較長的更安全。RAHIMIM等分析了加筋土層對地面隆起/沉陷的影響后發(fā)現(xiàn)，加筋土層可以有效提高埋地管道的抗隆起/沉陷能力，最高承受應力比無加筋土層提高約1.10＼～1.25倍[31]。許利惟等基于管道受力特點，采用Vlasov彈性地基梁和簡支梁模型分別模擬埋地段和懸空段管道，討論了塌陷區(qū)域尺寸、管道材料、管道尺寸、管道埋深等因素對塌陷作用下懸空管道的影響[32]。黃強兵等采用數(shù)值模擬和全尺寸模型試驗相結合的方法研究了鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合埋地管道在地裂縫沉降下的變形后發(fā)現(xiàn)，管道沉降位移與地層變形不協(xié)調，前者呈現(xiàn)明顯滯后性和衰減性特征[33]。李杰采用因素比較法，通過差量法公式對各影響因素進行定量分析，得出地面沉降影響因素的重要程度依次為：原狀土壤類別影響 gt; 回填土影響 ≈ 管段影響 ≈ 路基路面影響 ≈ 季節(jié)影響gt;溝槽深度影響[34]。殷鷹等通過擬合改良的Sherwood本構模型方程分析不同沉降階段和不同坡度下的PE管道力學響應后發(fā)現(xiàn)，土體沉降錯位量、土體沉降深度直接影響管道的應力應變和橢圓度[35]。WUY等利用有限元方法分析了管道不同位置的應力變化規(guī)律，確定了地面沉降下管道的危險點[36.37]?；趹κ蕜t，分析了埋地管道在不同參數(shù)（過渡長度、地面沉降率及管道應變率）下極限承載力（地面沉降下管道的最大垂直位移），并且通過非線性回歸分析得到埋地管道最大應力與影響因素之間的函數(shù)。在后續(xù)研究中，采用地面沉降位移作為極限承載指標，討論了王壤重力、缺陷幾何形狀、操作壓力、變徑段長度等參數(shù)的影響，建立了地面沉降位移和其他參數(shù)之間的函數(shù)模型。

2 占壓對埋地PE管道損傷的影響

2.1 靜載占壓對埋地PE管道損傷影響

占壓作用下埋地管道會受到豎向載荷致使管道發(fā)生變形失效。TRICKEYSA和MOOREID采用有限元法研究了地面循環(huán)載荷下埋地管道力學相應行為，并根據(jù)研究結果提出前期Poulos有限元分析結果應用于深埋管道評估偏保守的結論[38]。帥健等基于建立的地基-管道三維有限元模型，分析占壓載荷作用下管道的應力與變形后發(fā)現(xiàn)，管道變形隨上覆土體硬度降低而增大，管道橫截面橢圓化變形率與占壓載荷呈近似線性變化規(guī)律[39]。COREYR等通過實驗對比研究了有無土工材料保護、承受靜載荷的鋼筋強化HDPE管的變形情況，結果表明，可通過增加土工格柵減小管道豎向變形[40]。AHMEDMR等采用觸覺傳感技術測量了剛性管道接觸壓力分布規(guī)律，同時使用多尺度有限離散單元法模擬了埋地結構上的壓力分布、土壤與土工格柵的相互作用4]。FRANCOYB等采用自制實驗裝置討論了管道直徑、土壤密度和覆蓋率、地面占壓對小直徑埋地管道在軸向和橫向土壤載荷作用下的影響[42]。鄭津洋等的研究結果表明，占壓下埋地聚乙烯管豎直方向最大偏移發(fā)生在軸向橫截對稱面上；管道屈服時，占壓載荷隨著占壓參數(shù)的增大呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢[43]。陳劍健采用經(jīng)典Boussinesq解積分計算地面占壓堆載作用下埋地長輸管線受到的土體附加應力，綜合考慮管線運行內壓，最終計算出地面占壓堆載作用下埋地管線的力學特性和變形情況[44]。劉朝峰等應用數(shù)學分析方法，分析了燃氣管道占壓影響因子和評價指標，確定了影響因子的評價權重[45]。

2.2 動載占壓對埋地PE管道損傷影響

TAFRESHISNM等基于實驗研究和分析，探討了動載占壓情況下埋地深度、王壤相對密度及應力強度等因素對埋地PE管道的應力應變和地面沉降的影響。研究表明管道應力和應變在初始載荷循環(huán)時，數(shù)值急劇增加，然后隨著循環(huán)次數(shù)增加數(shù)值明顯下降，并且得出第一次施加的動載荷是管道變形的主要因素[46-49]。何晨曦等對于承受循環(huán)載荷作用下，格柵加筋防護對埋地管道力學行為的影響進行了詳細研究。研究結果表明高水平循環(huán)載荷比同水平靜載會造成更大的土層沉降，多層格柵加筋防護可以顯著減緩土層沉降和管道最終變形，降低管周土壓力，為類似于承受復雜循環(huán)載荷環(huán)境下的埋地管道設計和防護提供基礎理論支撐[50-53]。ELSHESHENYA等采用實驗室大規(guī)模全機械化研究手段，分析了循環(huán)載荷作用下HDPE管在有無土工合成材料格柵加筋防護土壤中的力學行為。研究表明隨著循環(huán)次數(shù)增加，管道和地基的變形率、管道和加筋層的應變呈現(xiàn)出先迅速增加后明顯降低趨勢，增加埋深有助于降低地基和管道的變形、管頂壓力，直到達到管埋深的最佳值[54.55]。梁莉等分析了路面行車載荷對PE埋地管道變形和應力的影響，得到了管道縱向方向任意橫截面處，管道頂部豎向位移以及Mises應力最大的結論[56]。何齊書等基于車輪壓力擴散模型，提出一種簡化計算模型，并得到不同等級公路所對應的管線埋深和對應壓力數(shù)值[57]。

3管道缺陷對PE埋地管道損傷的影響

管道缺陷主要包括管道表面遭到破壞而導致管道表面出現(xiàn)的凹坑和表面溝槽，焊接接頭穿孔、裂紋、夾雜及氣孔等。LUX和BROWNN研究了PE管道韌性和脆性破壞隨應力、切口深度及溫度的變化規(guī)律后發(fā)現(xiàn)，韌性破壞模式取決于孔帶應力，每個服役溫度對應單一臨界應力強度，超過此強度會發(fā)生延性破壞。不同聚乙烯管道主要區(qū)別在于：共同的溫度和應力強度產(chǎn)生脆性行為所需最小時間相關聯(lián)度不同[58.59]。王立君等研究表明，聚乙烯燃氣管道熱熔焊縫慢速裂紋擴展過程中δ-t關系均為同樣的階梯上升形態(tài)[60]。BROWNN通過測定慢速裂紋擴展時的電阻、裂紋起源應力強度及服役溫度，構建了用于計算聚乙烯管道緩慢裂紋擴展破壞時間的公式，可以發(fā)現(xiàn)最小尺寸為 0.14mm 的燃氣管道中的固有隨機缺陷[6]。HAMOUDAHBH等開展不同服役溫度下中密度聚乙烯管道的雙邊裂紋開裂試驗后發(fā)現(xiàn)，蠕變固體的斷裂力學 C^* 與失效時間相關性非常高[62]。舒安慶等基于有限元分析方法，模擬了含缺陷管道的破壞過程，與試驗結果吻合度很高[63]。HUTARP等提出了一個利用線彈性斷裂力學快速計算受內壓和外壓作用下PE管壽命的方法[64]。朱志彬等采用Ansys軟件模擬了含球孔缺陷的PE管道熱熔接頭的力學性能。結果表明：管道最大應力隨球孔尺寸增大而增大[65]。GUIDARAMA等基于試驗數(shù)據(jù)分析了含缺陷的HDPE管道的完整性。研究表明：預制缺陷管道的裂紋萌生載荷與含缺陷管道的裂紋萌生存在差距。當缺陷超過壁厚的一半時，差距會進一步增加，并且這些壓力隨缺陷深度呈拋物線狀下降[]。閡文采用拉伸試驗方法來判定PE管道熱熔接頭性能后發(fā)現(xiàn)，焊接壓力和加熱溫度對熱熔接頭性能影響較大，而壓焊冷卻時間、切換時間以及加熱時間對熱熔接頭性能影響很小[67]。曹鵬等建立了埋地含缺陷聚乙烯管道模型，分別考慮管道缺陷深度、地面載荷及管道內壓變化對管道應力和變形的影響。研究表明：埋地管道內壓及缺陷深度的增加均使最大應力增大，但地面占壓的增大使管道最大應力先減小后增大[8]。SAHLABADIM 等基于雙參數(shù)J-Q理論，對現(xiàn)有的基于純 FEM進行力學行為分析的方法進行了改良，同時建立了新的計算模型研究了HDPE管道中心裂紋試樣拉伸載荷下的力學行為。研究表明：對于所有已經(jīng)過實驗測試的試樣，Q應力值都為較高的壓應力，意味著裂紋尖端具有更高的靜水壓力，而使得材料具有更強的抗斷裂能力。在后續(xù)的有限元分析中也發(fā)現(xiàn)，試樣越厚，斷裂敏感性越高[69.70]。陳星宇等對含熱熔孔洞缺陷的PE管道進行壽命預測后發(fā)現(xiàn)管道最大應力隨管道內壓的增大而增大，壽命隨著管道內壓和缺陷體積的增大而減少，含缺陷管道壽命和內壓關系可使用雙對數(shù)函數(shù)來進行描述[1。陳國華等研究了溫度和占壓協(xié)同作用對含缺陷PE埋地管道的影響后發(fā)現(xiàn)管道埋深和土體彈性模量的影響明顯大于管土摩擦因數(shù)和占壓位置偏移距離[72]。KHADEMI-ZAHEDIR等采用有限元方法分析了4種補焊形狀（圓形、矩形、半圓形、馬鞍形）對于埋地管道在過載、溫度變化、土壤重力以及管土交互作用下的應力分布規(guī)律。研究表明：半圓形和馬鞍形補焊形狀可有效降低管道中的最大Mises應力，但是在補焊區(qū)域中，采用馬鞍形補焊時，其最大Mises應力最小。當采用馬鞍形補焊修補長軸與管道軸向平行的橢圓形缺陷時，長短軸之比為0.6左右時，補焊區(qū)域Mises應力最小。由于PE管熱膨脹系數(shù)非常高，因此溫度的改變對于管道中的熱應力影響很大[73-76]。楊俊峰等在進行類似研究時也發(fā)現(xiàn)管道峰值應力隨管道圓形缺陷范圍的增加而增大，不同形狀的修補中，馬鞍形修補對管道和修補處應力的效果最佳，管道裂縫缺陷的形狀對管道應力影響較大[77]。

4地震對PE埋地管道損傷的影響

地震對于PE埋地管道的影響除了地震波的沖擊之外，還會引起永久地面變形（斷層錯動和山體滑坡）。

4.1 斷層錯動和山體滑坡影響

1977年，KENNEDYRP等建立了跨斷層埋地管道的理論分析模型。該模型將管道假設為連續(xù)的剛性管，忽略管道周圍土體對管道的摩擦，管線抗震能力主要由最大軸向應變控制[19]。KINASHO和NAJAFIM基于殼體薄膜理論和塑性理論，將薄壁圓柱管在組合梁載荷和內部壓力下的響應問題簡化為一維模型進行分析，并討論了滑坡載荷下，內壓、彎矩、縱向力對直管單元的作用及管截面應力應變分布[8]。HASSANIR和BASIRATR基于實證研究方法和有限差分技術，研究發(fā)現(xiàn)埋地管道的軸向力和彎矩與埋深、斷層角度及斷層垂直位移呈正相關規(guī)律，應力和彎矩隨著管道尺寸的增大而增大，并且斷層運動所誘發(fā)的橫向和垂直位移常超過管道接頭的極限而導致接頭失效[79]。ZHANGJ等分析斷層移動作用下的埋地PE管道力學性能和失效機理后發(fā)現(xiàn)，管道壓力對PE管的力學性能影響較小[80]。在斷層下，PE管的平整度曲線相對于斷層面對稱分布，不同地層PE管材變形規(guī)律相似。在粘土中，管材變形最大，而在沙子中最小。標準管徑越大，管徑平整度系數(shù)越大。管徑越大，管徑扁率參數(shù)越小，管件標準尺寸比（SDR）較大且管徑較小的PE管在斷層帶更容易失效。CHAUDHURICH和CHOUDHURYD提出了一種基于歐拉伯努利梁理論的簡化解析解，采用四次多項式函數(shù)模擬地震滑坡引起的非均勻地面變形模式，利用

ABAQUS軟件模擬管土界面特性對管道響應的影響，研究了地震滑坡對埋地管道的影響[81]

4.2 地震波影響

張紫劍等研究發(fā)現(xiàn)埋地管道的爆破振動安全允許峰值振速受爆破區(qū)域地質條件、管道埋設方式、管道自身屬性、管道內部載體、管道工作狀態(tài)等多方面因素影響[82]。ZHONGDW等研究了位于爆炸源附近的PE管道的動態(tài)響應，討論了不同裝藥質量和爆炸中心距條件下峰值應變的衰減規(guī)律，分析了應變、管道速度和地面速度的光譜特性，提出了PE管 10% 最小要求強度的爆破準則，以及管道附近爆炸的安全距離-負重載荷的限制準則[83]。SULTANOVKS和VATIN NI研究了地震沖擊下的埋地水平直管的力學行為，提出了地下管道抗震能力的一維耦合問題，且利用特征法和有限差分法，開發(fā)了對應的數(shù)值求解算法和程序。研究表明：垂直于地下管道外表面的動態(tài)應力會導致地下管道縱向應力出現(xiàn)倍增效應。基于分析結果提出了地震波在地下管道和周圍土壤中傳播過程的理論[84]。

5結束語

國內外學者針對埋地聚乙烯管道的安全應用做出了諸多研究，對其在受到占壓堆載作用下的力學性能及服役壽命取得了一定的研究成果。但隨著埋地PE管道服役環(huán)境的不斷惡化，受到的載荷類型也趨于復雜，對埋地PE管道的安全運行提出了更高的要求，當前研究在部分領域仍存在局限性：針對埋地PE管道受到多因素載荷影響下的力學行為研究較少；環(huán)境溫度對于PE管道性能的影響鮮見報道。因此科技工作者應加強這幾個方面的研究，確保埋地管道安全、長期、穩(wěn)定運行。

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Research Progress on Failure and Influencing Factors of Buried PE Pipes

YAN Ji-zhong ^1，2 ， SHEN Li-min3，PU Jiang1， TANG Wen-liang3，JI Shan ^1，2 ， YUAN Ying （1.Jiangsu Special Equipment Safety Supervisionand Inspection Institute;2.Jiangsu Province Market Supervision Technology Innovation Center （Safe Operation and Maintenance ofOil and Gas Storage and Transportation Facilities;3.SchoolofChemical Engineeringamp; Technology，China Universityof Miningand Technology）

AbstractExcellent properties like the corrosion resistance，light weight and the good shock resistance make the PE pipe one of the main materials in the manufacture of buried pipes and the complex loads and their synergistic effcts on the service process often make the pipeline scrapped early.In this paper，the failure forms and influencing factors of buried PE pipelines were reviewed from the aspects of land subsidence，surface occupation，pipeline defects，landslides and faults caused by earthquakes，and the existing problems and future research directionswere discussed.

Key Words PE buried pipeline，surface setlement，ground load，pipeline defects，faulting and landslide