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洪水中懸跨管道加裝防護索的力學行為及布索方案

埋設在河流中的油氣管道在洪水的沖刷作用下，容易漂浮于洪水中而形成懸跨，洪水對裸露管道的沖擊作用很大，管道易發(fā)生顯著彎曲變形，其中部分管道由于強烈的洪水沖擊而有可能斷裂，進而造成嚴重的事故。目前常用的是打樁穩(wěn)管法，可防止管線水平位移或產生過大的彎曲應力。打樁穩(wěn)管法適用于巖基河床，巖基河床上打樁容易，穩(wěn)定效果好；而對于沖刷性河床打樁穩(wěn)定性差，穩(wěn)管效果不好，加之在卵石河床上打樁也比較困難，故不宜采用。中國石油大學（北京）依托國家科技重大專項“連續(xù)管裝備與應用技術”通過分析洪水漂浮管道的受力特點，建立線性力學分析模型和非線性有限元模型，提出了一種臨時的水工保護設計，在管道沖刷形成懸跨后，及時在管道受沖擊一側通過夾具加裝2條對稱的臨時防護索，防護索材料使用鋼絲繩，布置方式如圖6所示。并針對這種臨時防護索的布置方式、截面面積選擇進行研究，為懸跨管道在洪水載荷作用下的安全防護提供參考。

圖6 懸跨管道的防護索布置模型示意圖

防護索布置方式不同，管道的應力分布、大小均不同，所以需要找出最合適的防護索布置方式。通過算例分析不同懸跨長度、洪水流速下，防護索加裝角度、位置對管道變形與應力的影響，得出防護索最佳的布置方式，即加裝位置為管道懸跨長度的1/4處，方向與管道夾角為60°。

隨著管道規(guī)格、跨長、流速的變化，需要的防護索截面積也不同，確定防護索許用最小截面積，分析各因素對其的影響具有重要的意義，既可以保證管道的安全，也可以合理選擇鋼絲繩類型，避免浪費。防護索截面積選用原則：管道不發(fā)生屈服破壞，根據第四強度理論，危險點Mises應力小于屈服強度；鋼絲繩應力小于許用應力。

結論認為：懸跨管道加裝防護索后顯著降低了管道的應力水平，為懸跨管道在洪水載荷作用下的安全防護及現場搶修工程提供了解決方案。

孟芳芳 摘編自《天然氣工業(yè)》雜志2016年2月

《洪水中懸跨管道加裝防護索的力學行為及布索方案》原作者李思嘉等