李 強，李春雨，楊 強

1中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國石油管道局工程有限公司第二分公司，江蘇 徐州

1.引言

管道交叉穿越處是天然氣管道運輸系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分。目前對管道穿越處下方天然氣管道破裂事故發(fā)生級聯(lián)效應(yīng)的可能性研究較少。筆者通過尋找解決方案，以提高石油天然氣管道交叉穿越處的功能穩(wěn)定性，并降低發(fā)生事故時產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)的概率。

2.地下管道穿越處的事故數(shù)值模擬

2.1.事故計算模型的建立

圖1為模型的對稱示意圖。為減少計算單元維度，根據(jù)對稱原理只計算了整個模型的1/4部分。針對土壤、管道內(nèi)部介質(zhì)(天然氣或石油)和計算區(qū)域頂部的空域，采用了多組分有限體積方法，通過歐拉變量描述連續(xù)介質(zhì)。這種狀態(tài)下，計算單元與空間緊密相關(guān)，不會隨著時間的變化產(chǎn)生變形[1]。

初始階段，在管道中通過設(shè)定壓縮比來確定介質(zhì)的初始壓力。天然氣在7.5 MPa壓力條件下的壓縮比為75.0，石油在6.0 MPa條件下的壓縮比為1.05，土壤環(huán)境上方空氣壓力為1個標準大氣壓。模型設(shè)定的參數(shù)：低合金機構(gòu)鋼管道(16 Mn)直徑1420 mm，壁厚20 mm；管道相互以90?直角穿越，上部管道距地面深度為1 m；管道之間的距離為0.5 m；土壤環(huán)境為亞黏土；裂痕長度為24 m (根據(jù)對稱原理在模型中為12 m)。裂痕長度確定的前提是兩根焊接在一起的管道鋼管長度分別為12 m。

Figure 1.The schematic diagram of calculation model圖1.構(gòu)建計算模型示意圖

2.2.相鄰管道負載條件下管道破裂尺寸和特點研究

在下部管道發(fā)生爆裂時，對上部管道的負載情況進行了計算研究。對下方管道從下部、上部和側(cè)面發(fā)生爆裂的3種情況進行了數(shù)值模擬。下方管道側(cè)面發(fā)生爆裂進行計算時，在不考慮一個對稱平面的前提下建立了一個新的計算模型。圖2為受爆裂影響上方管道和土壤環(huán)境的變形特點，可以看出下方和上方爆裂對管道產(chǎn)生的負載區(qū)別明顯。

Figure 2.The deformation characteristics of pipeline and soil in different positions of the rupture圖2.不同位置爆裂上方管道和土壤環(huán)境的變形特點圖

在管道上部或側(cè)面發(fā)生破裂的初始階段，壓縮的氣體會劇烈的穿透土壤沖向地表。在這種情況下，下方爆裂管道破損的部分受反作用力影響被壓在土壤中，因此不會直接對上方管道造成影響。在該模型中，從管道開始爆裂瞬間到上方管道爆裂漏出氣體流量平穩(wěn)，整個過程持續(xù)時間僅0.3~0.5 s左右。

下方管道從底部遭到爆裂破壞時，管道爆裂區(qū)域在內(nèi)部壓力作用下被展開，并在最初階段阻止氣體透過土壤沖出地表。在管道爆裂處會形成一個氣腔，只有當(dāng)氣腔達到很大的規(guī)模時，氣體才會透過土壤從側(cè)面沖出。爆裂管道發(fā)生事故部分向上移動，當(dāng)達到臨界變形時管道發(fā)生破損并脫離主管道。爆裂飛離的管道碎片通過擠壓小規(guī)模土壤夾層影響上部管道。氣體從下方管道脫離主管道區(qū)域通過氣腔穿過土壤沖向地表。在該環(huán)境中，沒有考慮外漏氣流對上方管道的直接影響。這種情況下，從事故發(fā)生到泄漏氣體流量平穩(wěn)，整個過程持續(xù)時間是管道從上部和側(cè)面爆裂情況時間的2~4倍(約1~3 s左右)。

從破損角度看，危險區(qū)域長度不超過1個管道直徑的長度。管道下部區(qū)域在管道發(fā)生彎曲變形時出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。管道下部的破裂導(dǎo)致相鄰管道的位移明顯大于上部和側(cè)部破裂時的位移，塑性變形水平大致相同時，變形區(qū)域可達20~30個管道直徑。

3.結(jié)語

1)當(dāng)多條地下管線互相穿越，其中一條管線在穿越點發(fā)生爆裂事故時，選擇了相應(yīng)模型來計算其運動參數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

2)當(dāng)下方管道的主裂紋處于管體上部、側(cè)面和下部時對上方管道形成的負載差異明顯。當(dāng)爆裂發(fā)生于管體上部(側(cè)面)時，天然氣會劇烈地沖向地表，而管道之間不會有直接的相互接觸。當(dāng)爆裂發(fā)生于管體下部時，事故開始階段管道爆裂處會展開并阻礙天然氣直接沖向地表，管道爆裂部分脫離管體后會通過土壤對上部管道產(chǎn)生巨大沖擊力。