, ,

(1.中國石油管道公司 a.管道科技研究中心;b.管道工程第二項(xiàng)目經(jīng)理部，河北 廊坊 065000；2.中煤地質(zhì)工程總公司，北京 100073)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國長距離輸送油氣管道得到了快速的發(fā)展，如今跨區(qū)域、全國性的油氣管網(wǎng)格局已逐步形成。長輸管道不可避免要穿越河流溝谷[1]，而大開挖直埋方式是管道穿越河流溝谷最常見的敷設(shè)方式，因此，河溝水流的沖擊作用造成的管道危害較為普遍。懸跨危害發(fā)生機(jī)率雖較小，但因其致災(zāi)后果嚴(yán)重，形成及致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，逐漸受到越來越多的重視。

1 管道懸跨現(xiàn)象的產(chǎn)生

懸跨是指采用大開挖直埋方式穿越河流的輸油氣管道與河床表面不發(fā)生直接接觸的懸空段。其形成原因主要有以下幾種：

(1) 管道穿越處河床受到洪水的強(qiáng)烈沖刷與下切作用，導(dǎo)致管道懸跨(圖1)；

圖1 西南某輸油管道出現(xiàn)懸跨現(xiàn)象

(2) 管道在鋪設(shè)和運(yùn)輸過程中，由于殘余應(yīng)力或油氣傳輸時的熱應(yīng)力變化，使得管道局部位置發(fā)生屈曲，可能導(dǎo)致管道出現(xiàn)懸跨；

(3) 管道附近有采砂等人工活動，隨著砂坑規(guī)模的擴(kuò)大，砂坑邊緣逐漸發(fā)展到管道穿越處，造成管道懸空(圖2)；

圖2 采砂坑造成管道懸跨裸露示意圖

(4) 其他原因造成管道出現(xiàn)懸跨。

2 懸跨致災(zāi)機(jī)理及判定條件

懸跨現(xiàn)象的出現(xiàn)和存在對整個管道的安全性和完整性有著重要的影響。懸跨的出現(xiàn)改變了管道的受力狀態(tài)：易發(fā)生因管后渦旋泄放而引起的管道共振破壞，因管道繞流產(chǎn)生周期性升力作用而引起的管道疲勞破壞，因受自重、內(nèi)壓、浮力及繞流阻力等靜載作用而引起的管道屈服破壞。導(dǎo)致穿越河流管道出現(xiàn)懸跨現(xiàn)象的原因多樣，因此，其所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式往往也各式各樣。研究穿越河流管道懸跨問題具有一定的特殊性與復(fù)雜性，這也足以說明了深入研究該問題的必要性。

2.1 振動破壞

圖3 管道渦流引起振動示意圖

當(dāng)穩(wěn)恒水流橫向流經(jīng)管道時，在管道背水側(cè)將出現(xiàn)渦旋泄放現(xiàn)象。如果渦旋泄放頻率與懸空管道的自振頻率相同、相近或在某一特定范圍內(nèi)時，將導(dǎo)致懸空管道橫向和順向的振動，引起“鎖頻現(xiàn)象”。余建星等[2]對“鎖頻現(xiàn)象”進(jìn)行了定義，即當(dāng)結(jié)構(gòu)的固有頻率與渦旋泄放頻率接近時，管跨的振動相應(yīng)出現(xiàn)大振幅，其振幅足以控制渦旋泄放過程時發(fā)生的管跨與流體之間這一復(fù)雜的相互作用過程。該現(xiàn)象是河流底部懸跨管道段因渦旋激發(fā)而誘發(fā)管道發(fā)生振動的一種重要且普遍現(xiàn)象。Xu等[3]研究了渦激振動對管道的影響。圖3展示的是渦流引起的管道振蕩示意圖。

2.2 疲勞破壞

管道懸跨段暴露于水流中，阻礙了水流的正常流通，便產(chǎn)生了因繞流而施加于管道上的繞流阻力和繞流升力：繞流阻力，其方向不變，大小呈周期性變化，但變化范圍較小，可認(rèn)為是靜載；繞流升力，其方向及大小均呈周期性變化，是典型的周期性交變荷載，是引起管道疲勞破壞的主因。在繞流升力的反復(fù)作用下，管道部件交變應(yīng)力有可能在尚未達(dá)到用于靜強(qiáng)度設(shè)計的許用應(yīng)力大小時就會在局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋，該裂紋會逐漸擴(kuò)展直至發(fā)生突然斷裂，將這種現(xiàn)象稱為管體的疲勞破壞。因疲勞裂紋形成和擴(kuò)展具有極大的隱蔽性，加之疲勞斷裂時又具有明顯的瞬發(fā)性，因此管體疲勞破壞往往會造成較嚴(yán)重的后果。

圖4 本文模擬用管材的S-N曲線(應(yīng)力-壽命曲線)

采用S-N(relation between the stress amplitude and number of repetition)曲線(應(yīng)力-壽命曲線)來表示載荷與疲勞失效的關(guān)系：一般情況下，金屬構(gòu)件所承受的循環(huán)載荷的應(yīng)力幅值σa越小，到發(fā)生疲勞破壞時所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)就越長。圖4所示的管材S-N曲線縱坐標(biāo)表示管材承受的交變應(yīng)力；橫坐標(biāo)表示管材在某一應(yīng)力幅水平下發(fā)生疲勞破壞所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

可以這樣認(rèn)為，在給定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下，管材的應(yīng)力幅值一旦超過該循環(huán)次數(shù)所對應(yīng)的交變荷載值，那么就意味著該管材的疲勞破壞。

2.3 屈服破壞

懸空管道所受載荷主要包括管道自重、輸送油氣重量、內(nèi)輸油氣壓力、防腐保溫層及其附件重量、繞流阻力等靜載作用以及繞流升力等動載作用。管道懸跨段既有可能因繞流作用發(fā)生振動破壞和疲勞破壞，也有可能在發(fā)生振動破壞和疲勞破壞前有效應(yīng)力σe已經(jīng)超過管道的許用應(yīng)力[σs]，也就是說此時管道發(fā)生了屈服破壞。

可以利用薄壁壓力管道應(yīng)力分析及第四強(qiáng)度校核理論，對穿越河流輸油氣管道懸跨段進(jìn)行安全分析。

3 懸跨安全長度判定

懸跨管道在各種靜載和動載的作用下可能發(fā)生振動破壞、疲勞破壞以及屈服破壞，圖5展示的是管道模型受載示意圖。

圖5 管道模型受載示意圖

3.1 判定條件

為滿足懸跨管道不發(fā)生共振破壞、疲勞破壞和屈服破壞的要求，特提出以下懸跨管道安全長度判定條件。

3.1.1 條件1——頻率條件

懸跨管道不因繞流作用而發(fā)生共振。據(jù)此提出懸跨管道振動臨界長度。當(dāng)懸跨管道的激振頻率f0與其自振頻率fp滿足關(guān)系式(1)時，我們認(rèn)為可以有效避免懸跨管道發(fā)生共振現(xiàn)象,即

fp≥nf0。

(1)

式中：fp為管道的自振頻率(Hz)；f0管道的激振頻率(Hz)；n為關(guān)系常數(shù)。

一般認(rèn)為n值在[0.7 1.3]區(qū)間內(nèi)時“鎖頻現(xiàn)象”才有可能發(fā)生。

可利用有限元模擬方法或理論計算[4]方法對懸跨管道的自振頻率進(jìn)行模擬計算；利用專業(yè)流體分析軟件FLUENT對懸跨管道繞流現(xiàn)象進(jìn)行模擬，得到管道的激振頻率。

根據(jù)該條件易得到懸跨管道的振動臨界長度Lcr1。

3.1.2 條件2——疲勞條件

管道在交變荷載作用12 h內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞(根據(jù)油氣管道維搶修經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為管道在發(fā)生洪水險情時需12 h內(nèi)對管道采取必要風(fēng)險減緩措施，防止管體損傷繼續(xù)增大，因此在條件2的判斷中選擇管道在水流沖刷下不發(fā)生破壞的最大作用時間為12 h)。據(jù)此提出懸跨管道疲勞臨界長度。首先利用式(2)確定管道發(fā)生疲勞破壞的容許循環(huán)次數(shù)[N]：

(2)

式中：f0為管道的激振頻率，即繞流升力作用頻率(Hz)；[N]為管道發(fā)生疲勞破壞的容許循環(huán)次數(shù)。

利用ANSYS Workbench中疲勞分析工具Fatigue Tool對管道疲勞破壞進(jìn)行模擬分析，采用圖4所示的管材S-N曲線。

根據(jù)該條件易得到懸跨管道的疲勞臨界長度Lcr2。

3.1.3 條件3——屈服條件

管道在靜載作用下滿足Mises屈服條件(第四強(qiáng)度理論)，即

(3)

式中：[σs]為管道的許用應(yīng)力；σe為管道的有效應(yīng)力；σθ為管道的環(huán)向應(yīng)力；σn為管道的縱向應(yīng)力。

根據(jù)該條件易得到懸跨管道的屈服臨界長度Lcr3。

3.2 懸跨安全長度

因管道的疲勞破壞和屈服破壞均是由荷載引起的，可將條件2與條件3統(tǒng)稱為荷載條件，只有同時滿足該2個條件時才可得到管道荷載臨界長度；將條件1單獨(dú)列為頻率條件，滿足該條件可得到管道振動臨界長度。振動臨界長度與荷載臨界長度的較小值即為管道的懸跨安全長度。見圖6所示。

為確保管道不因懸跨現(xiàn)象而發(fā)生損壞或失效，懸跨管道既要滿足不因管后渦旋泄放而發(fā)生共振破壞(條件1)又要滿足不因繞流作用而發(fā)生疲勞破壞(條件2)或因靜載作用而發(fā)生屈服破壞(條件3)，即懸跨安全長度必須同時滿足上述3個條件，見式(4)、式(5)。

懸跨安全長度={振動臨界長度，荷載臨界長度}min,

(4)

荷載臨界長度={疲勞臨界長度，屈服臨界長度}min。

(5)

圖6 管道懸跨安全長度判定條件

4 實(shí)例應(yīng)用

論文以蘭鄭長輸油管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[5]為背景，對澴水河穿越(穿越長度160 m)懸跨安全長度進(jìn)行模擬計算。

4.1 參數(shù)選取

本文數(shù)值計算及模擬中所采用管道材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)壓力薄壁鋼管。

(1) 管材：X65型鋼，材質(zhì)為L450MB。

(2) 管道尺寸：內(nèi)徑610 mm，壁厚7.9 mm。

(3) 管道內(nèi)壓：8.0 MPa。

(4) 環(huán)境：假設(shè)水流為均質(zhì)穩(wěn)恒流，流速區(qū)間為0.1～2.0 m/s；水流運(yùn)動黏滯系數(shù)為1.003×10-6m2/s；雷諾數(shù)Re區(qū)間為6.08×104～1.22×106；繞流阻力CD系數(shù)，當(dāng)Re>6×105時，CD=0.36，Re<6×105時，CD=1.2[6]。

4.2 模擬計算結(jié)果

4.2.1 頻率條件

通過對懸跨管道自振頻率和激振頻率模擬與計算，容易得到懸跨管道的自振頻率、激振頻率以及振動臨界長度，結(jié)果分別如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 不同懸跨長度下管道自振頻率曲線

4.2.2 荷載條件

對懸跨管道疲勞臨界長度和屈服臨界長度進(jìn)行對比，取其臨界長度最小值作為滿足荷載條件的荷載臨界長度(圖10，式(5))。

圖8 不同水流繞流下懸跨管道激振頻率曲線

圖9 不同水流繞流下懸跨管道振動臨界長度

圖10 懸跨管道的荷載臨界長度曲線

4.2.3 懸跨安全長度

下面將對頻率條件和荷載條件進(jìn)行對比，以確定滿足管道設(shè)計要求的懸跨安全長度。要使管道不因懸跨現(xiàn)象而發(fā)生損壞或失效，懸跨段管道不但要滿足不因管后渦旋泄放而發(fā)生共振破壞，而且必須滿足不因水流繞流作用而發(fā)生疲勞失效或因靜力作用而發(fā)生屈服破壞(圖11，式(4))。

圖11 懸跨管道的懸跨安全長度

由公式(4)可知，懸跨安全長度就是振動臨界長度和荷載臨界長度兩者之間的較小值。通過圖11所示的曲線容易觀察到：當(dāng)水流流速為0.1～0.4 m/s時，荷載臨界長度小于振動臨界長度，因此此時荷載作用(決定荷載臨界長度)是管道懸跨安全長度的控制因素；當(dāng)流速位于0.5～1.6 m/s時，振動臨界長度卻又小于荷載臨界長度，故渦旋的泄放(決定振動臨界長度)又成為管道懸跨安全長度的控制因素；但當(dāng)水流流速繼續(xù)增大，荷載作用對管道的影響又一次超過了渦旋泄放，成為了控制管道懸跨安全長度的控制因素。

5 結(jié) 論

立足管道懸跨損毀機(jī)理研究，以懸跨管道不發(fā)生振動破壞、疲勞破壞和屈服破壞為準(zhǔn)則，判定其懸跨安全長度，并得出以下結(jié)論：

(1) 懸跨一旦產(chǎn)生，容易造成管道的振動、疲勞或屈服破壞。

(2) 運(yùn)用理論分析及數(shù)值模擬的方法對油氣管道穿越河流的懸跨現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出懸跨管道安全的判定條件：懸跨管道不因管后渦旋泄放發(fā)生共振破壞、不因繞流作用發(fā)生疲勞破壞、不因靜載作用發(fā)生屈服破壞，同時滿足該3個條件的管跨長度即為管道懸跨安全長度。

(3) 水下輸流管道的動力特性受到內(nèi)外流-管道耦合作用，在懸跨分析中，并未綜合考慮泥沙影響、管道軸力、溫差變化、原有缺陷等諸多因素的影響，需對其進(jìn)行詳細(xì)探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任志平．大中型穿越河流輸油管道的風(fēng)險評估[D]．大慶：大慶石油學(xué)院，2004．(REN Zhi-ping. Risk Assessment for Large-and-Medium Scale Oil Transmission Pipeline Across Rivers[D]. Daqing: Daqing Petroleum Institute, 2004. (in Chinese))

[2] 余建星，羅延生，方華燦．海底管線管跨段渦激振動響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J]．地震工程與工程振動，2001，21(4)：93-94．(YU Jian-xing, LUO Yan-sheng, FANG Hua-can. A Test Study on Dynamic Response of Submarine Pipeline Spans[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2001,21(4):93-94.(in Chinese))

[3] XU T，LAURIDSEN B，BAI Y．Wave-induced Fatigue of Multi-span Pipeline[J]．Marine Structure，1992，2(12)：83-106．

[4] 馬 良．海底管道在水流作用時誘發(fā)的振動效應(yīng)[J]．中國海洋平臺，2000，15(2)：30-34．(MA Liang. Vibration Effect of Submarine Pipelines Caused by Flow Action[J]. China Offshore Platform, 2000,15(2):30-34.(in Chinese))

[5] 鄧清祿．蘭鄭長輸油管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及整治規(guī)劃(信陽-長沙段)[R]．武漢：中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，2009．(DENG Qing-lu. Geological Disaster Investigation and Regulating Planning for Lanzhou-Zhengzhou Long Oil Pipeline (Xinyang-Changsha Segment)[R]. Wuhan: China University of Geosciences, 2009.(in Chinese))

[6] 夏震寰．現(xiàn)代水力學(xué)(四)波浪力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，1992．(XIA Zhen-huan. Modern Hydraulics (Ⅳ) Mechanics of Waves[M]. Beijing: Higher Education Press, 1992.(in Chinese))