摘要：

在現(xiàn)代社會(huì)中，埋地管道以及成為城市生產(chǎn)生活中—種必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。由于大部分的埋地管道都是埋藏在地下，考慮到地下各種復(fù)雜環(huán)境因素（包括濕度、溫度、壓力等）的影響，埋地管道會(huì)出現(xiàn)緩慢的腐蝕失效過(guò)程。這顯然會(huì)對(duì)管道的結(jié)構(gòu)及其功能造成破壞。本文主要對(duì)埋地管道的失效機(jī)理進(jìn)行了分析，并就其可靠l生展開(kāi)的相關(guān)研究。

前言

在現(xiàn)代社會(huì)中，埋地管道以及成為城市生產(chǎn)生活中一種必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。例如，城市生活中的給水、送氣管道，以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉、排污管道等，都屬于埋地管道。而根據(jù)其各自的工作和使用環(huán)境要求，埋地管道的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)也各不相同。目前常用的管道材質(zhì)主要有：鑄鐵、鋼管和塑料。其中，鑄鐵由于具有強(qiáng)度高、抗擠壓變形好、可塑性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為供水管材中使用最廣泛的材料。而塑料管材在耐腐蝕性、抗污性、重量及適用性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為埋地管道中通用的管材。

但是，由于大部分的埋地管道都是埋藏在地下，考慮到地下各種復(fù)雜環(huán)境因素（包括濕度、溫度、壓力等）的影響，埋地管道會(huì)出現(xiàn)緩慢的腐蝕失效過(guò)程。如果這一情況沒(méi)有得到及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)和處理，埋地管道就可能出現(xiàn)裂紋和破損，造成管道功能失效。為了盡量延長(zhǎng)埋地管道的使用壽命，本文主要對(duì)埋地管道的失效機(jī)理進(jìn)行了分析，并就其可靠性展開(kāi)的相關(guān)研究。

1.埋地管道的失效分析

1.1失效原因

造成埋地管道失效的原因有很多，一般來(lái)說(shuō)可以分為兩大類載荷效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力。其中，載荷效應(yīng)主要是指各種直接或間接作用于埋地管道的載荷對(duì)管道結(jié)構(gòu)造成的影響。

這些載荷既包括管道自身的負(fù)載，如管道內(nèi)部介質(zhì)的作用、管道自身的重量，又包含管道受到的外部負(fù)荷，如覆土載荷、溫度載荷、地表堆載以及上浮載荷等。這些載荷直接或間接作用于管道，使其發(fā)生扭曲變形、結(jié)構(gòu)破壞等。而結(jié)構(gòu)抗力則與載荷效應(yīng)密切相關(guān)。由于載荷效應(yīng)對(duì)管道壁身長(zhǎng)期、反復(fù)的破壞侵蝕，造成管道材料老化、變形、腐蝕甚至出現(xiàn)裂紋。這進(jìn)一步造成管道自身的結(jié)構(gòu)抗力下降，強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)外部載荷尚未達(dá)到管道設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，管身就可能出現(xiàn)失效。

1.2失效階段

和大部分機(jī)械產(chǎn)品的壽命周期一樣，埋地管道的失效過(guò)程一般也可以分為三個(gè)階段：

①初始使用階段（即管道剛埋入3-5年）；

②正常使用階段；

③失效老化階段。在初始使用階段，管道失效的幾率較高。因?yàn)樵谶@一階段，管道剛剛被埋入地下，其材質(zhì)結(jié)構(gòu)、施工布置等能否適應(yīng)地下的環(huán)境要求，還具有不確定性。前期的細(xì)微瑕疵或是載荷的突然變化就可能造成管道失效。而到了正常使用階段，管道已經(jīng)逐漸適應(yīng)了地下的環(huán)境及各種載荷的變化。其性能及結(jié)構(gòu)抗力趨于穩(wěn)定，因此失效風(fēng)險(xiǎn)較低。但是也應(yīng)該注意到，這一階段時(shí)間較長(zhǎng)，載荷效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力對(duì)管道性能的破壞是緩慢但逐漸累積的。

管道整體是朝著失效的方向發(fā)展。當(dāng)管道進(jìn)入失效老化階段時(shí)，前期的各種損傷已經(jīng)累積到臨界點(diǎn)。在這種情況下，外部載荷的微小變化就可能造成管道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可逆的破壞。埋地管道失效的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。這時(shí)，可以對(duì)管道進(jìn)行維修、加固處理，延長(zhǎng)其使用壽命。

1.3失效類型

通過(guò)對(duì)埋地管道大量失效形式的分析總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)其失效類型主要有以下三種：環(huán)向斷裂、縱向斷裂和接頭損壞。其中環(huán)向斷裂是最普遍的一種失效形式，表現(xiàn)為管身環(huán)向出現(xiàn)裂紋甚至斷為兩截。這主要是由于管道受到的切向摩擦力、縱向彎曲應(yīng)力或者是溫差造成的拉伸應(yīng)力所造成的。而管道的縱向斷裂則主要是由于環(huán)向應(yīng)力（如管道內(nèi)部載荷、鉛垂方向載荷引起的截面內(nèi)彎曲應(yīng)力等）所引起的。另外，管道的接頭損壞也是一種常見(jiàn)的失效形式。當(dāng)土層的出現(xiàn)不均勻性沉降時(shí)，會(huì)造成管道接頭出現(xiàn)扭曲。此外環(huán)境溫度的不規(guī)則變化也容易引起接頭的熱脹冷縮，甚至出現(xiàn)松脫的情況。

2.埋地管道的可靠性研究

通過(guò)以上對(duì)埋地管道的失效機(jī)理的分析可以發(fā)現(xiàn)，影響埋地管道使用壽命的因素有很多。因而建立關(guān)于埋地管道使用壽命的數(shù)學(xué)模型需要考慮的參數(shù)也有很多，這包括管道材料的性能參數(shù)、外部載荷的影響系數(shù)以及管道結(jié)構(gòu)抗力隨時(shí)間變化的關(guān)系等。而且在實(shí)際環(huán)境中，這些參數(shù)還可能發(fā)生不確定性的變化。

為此，可以運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)隨機(jī)分析的方法，對(duì)埋地管道在規(guī)定時(shí)間及條件下的使用可靠性進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)正處于工作狀態(tài)的埋地管道進(jìn)行失效隨機(jī)分析，可以判斷出管道目前工作的可靠性及其安全狀態(tài)。同時(shí)，借助相應(yīng)的可靠性分析模型，可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)埋地管道未來(lái)某一特定時(shí)間段的失效風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)而可以對(duì)可能出現(xiàn)的失效提前進(jìn)行防護(hù)或制定好處理措施。這樣，不僅極大的提高了埋地管道的使用壽命，而且也為后期的維護(hù)工作帶來(lái)了便利。

3.結(jié)論

埋地管道已經(jīng)成為人類社會(huì)生產(chǎn)生活中一種必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。本文在對(duì)埋地管道的失效機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)其可靠性進(jìn)行了研究。希望相關(guān)研究能對(duì)確保埋地管道的安全穩(wěn)定工作提供幫助。