張海林向敏楊毅覃明友

（1．川慶鉆探油建公司川西分公司　成都610000；2．中國石油北京油氣調(diào)控中心　北京100007；3．西南石油大學(xué)　成都610000）

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山體隧道油氣管道安全穩(wěn)定性規(guī)律研究

張海林1向敏2楊毅2覃明友3

（1．川慶鉆探油建公司川西分公司成都610000；2．中國石油北京油氣調(diào)控中心北京100007；3．西南石油大學(xué)成都610000）

摘要鑒于目前隧道內(nèi)管道常規(guī)力學(xué)計(jì)算結(jié)果相對保守，沒有考慮高強(qiáng)度管材較高延性的問題，構(gòu)建了山體隧道管道穩(wěn)定性分析有限元模型，采用Ramberg－Osgood本構(gòu)模型描述管材力學(xué)特性，采用非線性彈簧模擬隧道內(nèi)滑動(dòng)支座和管卡特性，采用土彈簧模型描述分析地下結(jié)構(gòu)與土體相互作用關(guān)系，對某隧道天然氣管道進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，研究了不同因素對穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了隧道管道敷設(shè)的優(yōu)化方法，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞隧道油氣管道穩(wěn)定性有限元方法優(yōu)化設(shè)計(jì)

Study on the Stability of Oil Gas Pipeline in the Tunnel Based on Finite Element Method

ZHANG Hailin1XIANG Min2YANG Yi2QIN Mingyou3
（1．Construction Company of Chuanqing Oil Drilling Chengdu 610000）

Abstract As the present mechanical calculation results are relatively conservative and don’t consider high ductility problem of the high strength pipeline，the finite element model for analyzing the stability of tunnel pipe is constructed，in which the pipe mechanical properties are described by using the Ramberg－Osgood constitutive model，the characteristics of sliding support and clamp are simulated based on the non linear spring and the interaction relationship between the underground structure and soil is analyzed by soil spring model．The stability of the natural gas pipeline in the tunnel is studied and the influences of different factors on the stability are also studied．On the basis of the results，optimization methods of tunnel pipe are proposed，which provides references for engineering design．

Key Words tunnel oil and gas pipeline stability finite element method optimization design

0　引言

科學(xué)合理地計(jì)算校核隧道內(nèi)管道穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)合理的管道安裝方式和應(yīng)力補(bǔ)償方式，是管道工程的研究熱點(diǎn)和亟待解決的重要技術(shù)問題［1－2］。目前隧道內(nèi)管道力學(xué)計(jì)算廣泛采用的方法是以材料力學(xué)和彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，將管道劃分為獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果相對保守，而且近年來新建長輸管道工程已普遍采用高強(qiáng)度、大口徑鋼管，管材具有較高的延性，完全采用彈性方法并不合適［3］。因此，采用有限元軟件根據(jù)隧道穿越工程實(shí)際參數(shù)建立隧道內(nèi)管道非線性力學(xué)模型，充分考慮管道溫度、壓力、安裝方式和隧道外埋地等因素，對隧道內(nèi)管道進(jìn)行全面分析具有重要意義。

本文構(gòu)建了山體隧道管道穩(wěn)定性分析有限元模型，對某隧道天然氣管道進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，研究了不同因素對穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出了隧道管道敷設(shè)的優(yōu)化方法，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1有限元建模方法

1．1管道

采用Ramberg－Osgood本構(gòu)模型描述管材力學(xué)特性，其參數(shù)由拉伸試驗(yàn)測得的材料真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線擬合確定。Ramberg－Osgood本構(gòu)模型能夠較好地描述金屬材料的彈塑性特征，被廣泛應(yīng)用于管道力學(xué)問題的分析之中［4］，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

1．2支座和管卡

隧道內(nèi)滑動(dòng)支座和管卡采用非線性彈簧模擬，通過不同的彈簧剛度來實(shí)現(xiàn)支座和管卡所受到的管道因壓力、溫度變形而產(chǎn)生的徑向和軸向作用力。徑向作用力由豎直和水平兩個(gè)非線性彈簧模擬，彈簧剛度根據(jù)管卡強(qiáng)度計(jì)算；軸向作用力由沿管軸的非線性彈簧模擬，其剛度根據(jù)管道軸向固定方式和摩擦力計(jì)算。

1．3管土作用

采用圖1所示的土彈簧特殊單元PSI來模擬埋地管道與土體間的相互作用。管－土間的作用關(guān)系以非線性單元?jiǎng)偠缺硎?。?yīng)用PSI單元可以避免對管道區(qū)域周圍的土體剖分單元，尤其當(dāng)管線較長時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)更加明顯，既能保證計(jì)算模型集中反映管道本體及土對管道的作用，又能大大減少單元的數(shù)量［5］。

圖1 PSI單元示意

1．4建模實(shí)例

以榆濟(jì)管道某穿越隧道為例，采用上述方法建立穿越管道的有限元模型。該隧道全長1 915．9 m，軸線為單向坡形式，由入口到出口向下坡度7%，隧道內(nèi)管道采用滑動(dòng)低支座＋固定墩的敷設(shè)方式，滑動(dòng)支座間隔15 m一個(gè)，隧道中部距離入口964 m處設(shè)置一錨固墩。洞口處采用冷煨彎管溝埋敷設(shè)入地，隧道外距洞口15 m設(shè)置“Z”型自然補(bǔ)償管段，補(bǔ)償管段長15 m，由2個(gè)90°熱煨彎頭組成；隧道外管道沿地勢溝埋敷設(shè)，未設(shè)置錨固墩。穿越管道為X65直縫埋弧焊管，Φ711×16 mm，冷煨彎管Φ711× 16 mm，R＝40D，熱煨彎頭Φ711×20 mm，R＝6D。根據(jù)管材實(shí)驗(yàn)，確定Ramberg－Osgood材料模型參數(shù)為：E＝206 GPa，σs＝455 MPa，a＝0．03，n＝25。

根據(jù)上述實(shí)際參數(shù)，建立隧道穿越管道有限元模型如圖2所示。

圖2隧道管道有限元模型

工況條件：管道重力、設(shè)計(jì)壓力10 MPa、溫差＋15．4℃（最不利組合：冬季連頭5℃，夏季輸氣溫度20．4℃）。邊界條件：隧道內(nèi)錨固墩處管道位移約束，隧道內(nèi)滑動(dòng)支座位移約束。

2基于有限元方法的不同因素對管道穩(wěn)定性影響分析

該隧道屬于典型的長距離單向坡隧道，為了研究影響管道穩(wěn)定性的主要因素，分別對溫度、錨固、補(bǔ)償臂、回填土和軸線形式進(jìn)行分析，為優(yōu)化敷設(shè)方案提供依據(jù)。

2．1溫度的影響

溫度是影響管道熱應(yīng)力的根本原因。對于長距離連續(xù)支撐管道，由于沒有土壤的軸向約束作用，溫度的變化將直接導(dǎo)致管道伸縮變形。對此，管道溫差從＋30℃到－15℃分別取6組數(shù)據(jù)，對比分析管道應(yīng)力、變形。

計(jì)算結(jié)果如表1所示，可得出以下結(jié)論：溫差越大管道應(yīng)力水平、變形程度和錨固墩推力越大，當(dāng)溫差達(dá)到＋30℃時(shí)，管道最大應(yīng)力超過許用應(yīng)力，管道進(jìn)入不安全狀態(tài)。由于溫差是運(yùn)行溫度和施工連頭溫度之差，因此，為了避免較大的溫差，應(yīng)盡量避免隧道內(nèi)管道在冬季安裝施工。

表1不同溫度條件計(jì)算結(jié)果對比

2．2錨固的影響

錨固墩是長輸管道中最常用的設(shè)施之一，其作用是防止管道過量軸向變形。錨固墩的設(shè)置以管道熱應(yīng)力計(jì)算為基礎(chǔ)，在許可推力作用下保證管道安全穩(wěn)定。目前長輸管道隧道穿越中，為了防止管道軸向大變形，一般都要設(shè)置錨固墩，設(shè)置方式主要有隧道內(nèi)多點(diǎn)錨固、隧道外兩點(diǎn)＋隧道內(nèi)一點(diǎn)錨固、隧道外兩點(diǎn)錨固等。

為了研究錨固方式對穿越管道的影響，分別建立隧道內(nèi)外無錨固、隧道中部一點(diǎn)錨固、隧道外兩點(diǎn)錨固、隧道外兩點(diǎn)＋隧道內(nèi)一點(diǎn)錨固共4種方式的有限元模型，對比管道最大應(yīng)力、變形和錨固墩推力，確定最佳錨固方式。由表2計(jì)算結(jié)果對比可知：由于補(bǔ)償臂的作用，4種錨固方式管道的應(yīng)力和變形水平十分接近，最大應(yīng)力都位于出口第二彎頭處，隧道中部有錨固的方式管道最大應(yīng)力略小于中部無錨固的方式，錨固墩的推力也十分接近?？梢?，錨固墩對管道應(yīng)力和穩(wěn)定性影響并不明顯，可以考慮完全不設(shè)置錨固墩。

表2不同錨固方式計(jì)算結(jié)果

進(jìn)一步分析隧道內(nèi)外無錨固的方式，隧道內(nèi)管道軸向位移為0的點(diǎn)并非在隧道正中部964 m處，而偏向入口方向50 m。若在軸向位移為0處設(shè)置錨固，則毫無意義。因此，隧道內(nèi)如要設(shè)置錨固，宜將其向出、入口中管道應(yīng)力和變形大的一端移動(dòng)，以降低管道應(yīng)力和變形水平。

2．3補(bǔ)償臂長度影響

補(bǔ)償臂是吸收管道變形、釋放應(yīng)力的重要環(huán)節(jié)，補(bǔ)償臂設(shè)置得合理與否對隧道穿越管道非常重要。管道用自然補(bǔ)償器有L型、Z型和∏型，對于大口徑長輸管道，L型、Z型結(jié)構(gòu)相對簡單，應(yīng)用最多。對于隧道Z型補(bǔ)償器，分別建立無錨固條件下10～30 m補(bǔ)償臂的有限元模型，分析確定最佳長度，應(yīng)力位移計(jì)算結(jié)果見圖3～圖5。

由圖3可知，隨著補(bǔ)償臂長度增加，管道應(yīng)力水平逐漸升高，管道變形先增加后減小，補(bǔ)償臂長15 m時(shí)，管道變形最大。較短的補(bǔ)償臂不僅難以起到吸收變形的作用，而且彎頭處彎曲剛度較大造成局部應(yīng)力集中。但是，補(bǔ)償臂也非越長越好，補(bǔ)償臂達(dá)一定長度后其應(yīng)力釋放能力也達(dá)到一定限度。

圖3不同補(bǔ)償臂管道計(jì)算結(jié)果對比

由圖4、圖5可以直觀地看出：對于隧道無錨固敷設(shè)方式，Z型補(bǔ)償器的補(bǔ)償臂長度大于18 m應(yīng)力釋放效果最顯著，綜合考慮變形吸收和施工成本，補(bǔ)償臂取18 m最為經(jīng)濟(jì)有效。在實(shí)際工程中，由于受到山區(qū)地形條件的限制，補(bǔ)償臂難以完全按理想方式選取，但是應(yīng)當(dāng)保證其長度不小于15 m。

圖4不同補(bǔ)償長度管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（入口補(bǔ)償臂）

圖5不同補(bǔ)償長度管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（入口補(bǔ)償臂）（出口補(bǔ)償臂）

2．4回填土的影響

通常情況下，土壤對埋地管道具有約束作用，主要表現(xiàn)為徑向穩(wěn)定和軸向限制。不同的回填土質(zhì)，管道受到的約束作用也不同。因此，分別建立無錨固條件下松散砂土、密實(shí)砂土和夯實(shí)粘土3種土質(zhì)條件的有限元模型，通過不同的土彈簧參數(shù)模擬分析回填土質(zhì)對管道的影響。

根據(jù)土彈簧計(jì)算模型，土質(zhì)和密實(shí)程度對管土作用影響顯著，松散砂土的管土作用力較小，夯實(shí)粘土的管土作用較大。管土間的相互作用力越大，管道受到的土壤約束也越強(qiáng)，管道的變形也就越小。由計(jì)算結(jié)果（表3）可以看到，松散砂土管道的應(yīng)力和變形水平最大，夯實(shí)粘土則最小。因此，隧道外管溝回填時(shí)宜分層夯實(shí)，以增加土壤對管道的約束力。此外，由土彈簧模型可知，埋深也是影響管土作用力的重要因素，埋深越大，管土作用越強(qiáng)，故隧道外也可考慮適當(dāng)加深管溝。

表3不同回填土質(zhì)管道計(jì)算結(jié)果

3山體隧道管道優(yōu)化敷設(shè)方案

滑動(dòng)低支座是目前隧道內(nèi)天然氣管道最普遍的一種敷設(shè)方式，具有施工簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)值模擬分析表明，合理地設(shè)置補(bǔ)償器、錨固墩、管溝等可以更好地起到吸收變形、釋放應(yīng)力的作用，達(dá)到優(yōu)化敷設(shè)、降低施工難度的目的。在前文研究基礎(chǔ)上，確定后百槽隧道管道優(yōu)化敷設(shè)方案如下：

（1）隧道內(nèi)天然氣管道宜采用連續(xù)滑動(dòng)低支座＋洞外自然補(bǔ)償器的敷設(shè)方式。

（2）隧道內(nèi)外均不設(shè)置錨固墩，隧道內(nèi)若要設(shè)置錨固，則應(yīng)通過計(jì)算確定合理的錨固位置和推力。

（3）管道進(jìn)、出洞口入地敷設(shè)時(shí)不可采用90°彎頭，應(yīng)采用大曲率半徑彎管。

（4）隧道外管道補(bǔ)償臂長度以15～20 m為宜。

（5）隧道外埋地段管道，其管溝可適當(dāng)加深并分層夯實(shí)回填。

（6）應(yīng)根據(jù)山區(qū)地形條件對不同隧道穿越管道最不利工況進(jìn)行計(jì)算分析，確定最佳敷設(shè)參數(shù)，保證管道長期安全。

參考文獻(xiàn)

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［5］American lifelines alliance．Guideline for the design of buried steel pipeline［R］．ASCE，United States，2001．

收稿日期：（2014－12－01）

作者簡介張海林，1973年生，工學(xué)學(xué)士，工程師，1998年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油與天然氣儲運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)在川慶鉆探油建公司從事油氣田地面建設(shè)工程安全管理工作。