□ 馮 毅 □ 鄒志豪 □ 馬小明

華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640

1 研究背景

天然氣運(yùn)輸是天然氣工業(yè)的一項(xiàng)重要活動(dòng),管道運(yùn)輸是輸送大量天然氣最經(jīng)濟(jì)的方式。據(jù)統(tǒng)計(jì),每185起涉及天然氣的事故中,管道事故占127起[1]。我國沿海區(qū)域地下受大氣降水、地下水補(bǔ)給、徑流、蒸發(fā)、挖排影響,加之閥室的建設(shè),改變了降雨對(duì)地下水的補(bǔ)給條件,地基產(chǎn)生了次生沉降[2]。埋地管道在地基沉降作用下應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生變化,是埋地管道與管周土壤的相互作用結(jié)果[3]。沉降應(yīng)力是影響閥室埋地管道安全的一個(gè)重要因素,因此進(jìn)行閥室管道沉降防護(hù)技術(shù)研究,可以有效保證管道的安全運(yùn)行。

Elachachi等[4]基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤空間變異性的描述,建立管土相互作用模型,研究巖層空間變異性和不均勻性對(duì)埋地管道破壞的影響。Limura[5]針對(duì)裸露、埋地、交匯三段管道分別建立模型,使變形協(xié)調(diào)在管道交匯位置,結(jié)果與實(shí)際管道應(yīng)力測(cè)量值較為吻合,證明了模型的有效性。朱慶杰等[6]通過構(gòu)建土地-斷層-管道破壞的有限元模型,分析埋地管道破壞的主要原因,依據(jù)計(jì)算結(jié)果,得出埋管深度與管道破壞的變化規(guī)律。張一楠等[7]建立跨越段管道與埋土間相互作用的模型,使用該模型探討跨越結(jié)構(gòu)角度、土體沉降與管道應(yīng)力之間的關(guān)系。Kouretzis等[8]對(duì)土壤沉降變形的特征進(jìn)行理論分析,結(jié)合土壤沉降變形及變形后土壤地基隆起的特點(diǎn),構(gòu)建埋地管道力學(xué)分析模型。

以上學(xué)者對(duì)埋地管道的不均勻沉降行為進(jìn)行了大量研究,但所建立的模型并不完全適用于閥室管道,不能作為管道防護(hù)的基礎(chǔ)。為保證閥室管道的安全運(yùn)行,筆者應(yīng)用ANSYS軟件建立珠海高欄港某天然氣管線閥室受非均勻沉降作用有限元分析模型,通過計(jì)算建立沉降量與最大等效應(yīng)力之間的映射關(guān)系,預(yù)測(cè)管道發(fā)生失效破壞時(shí)的極限沉降量,以此作為管道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的理論依據(jù)。在研究中還分析了管道內(nèi)壓、管道內(nèi)徑、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比等因素對(duì)管道應(yīng)力狀態(tài)的影響,研究結(jié)果可以為沿海地區(qū)天然氣管道受非均勻沉降作用時(shí)的安全運(yùn)行提供參考。

2 基于應(yīng)力的失效判斷準(zhǔn)則

管道失效指管道受外界載荷作用而產(chǎn)生的應(yīng)力或應(yīng)變超過自身許用極限。通過對(duì)管道承受載荷和力學(xué)特性進(jìn)行分析,可以確定管道發(fā)生失效時(shí)的臨界應(yīng)力和應(yīng)變[9-10]。目前,通常使用基于應(yīng)力的失效判據(jù)作為管道失效判斷準(zhǔn)則,即在正常操作條件下,管道產(chǎn)生的最大應(yīng)力不超過屈服應(yīng)力。

管道的強(qiáng)度校核一般同時(shí)滿足兩個(gè)條件。

(1) 環(huán)向應(yīng)力條件。環(huán)向應(yīng)力條件指管道在正常運(yùn)行條件下產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力小于管道的許用應(yīng)力,即:

σh<[σ]=φσσs

(1)

式中:σh為管道環(huán)向應(yīng)力;[σ]為管道許用應(yīng)力;φσ為設(shè)計(jì)因子;σs為管道屈服強(qiáng)度。

(2) 組合應(yīng)力條件。埋地管道的受力十分復(fù)雜,常處于三向應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)畸變能密度準(zhǔn)則,工程中常采用等效應(yīng)力屈服條件進(jìn)行強(qiáng)度校核,表達(dá)式為:

<[σ]

(2)

式中:σVonMises為等效應(yīng)力;σ1、σ2、σ3依次為第一、第二、第三主應(yīng)力。

按照國標(biāo)GB 50251—2015《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[11],使用組合應(yīng)力進(jìn)行失效判斷時(shí),組合應(yīng)力條件中設(shè)計(jì)因子的值取為0.8。筆者研究閥室管道材料為L450M天然氣輸送專用材料,材料的最低屈服強(qiáng)度為450 MPa,因此管道的許用應(yīng)力[σ]為360 MPa。

3 數(shù)值模擬

3.1 材料特性

進(jìn)行管道、土體有限元分析時(shí),埋土通常選擇使用Drucker-Prager材料。該材料采用黏聚力、膨脹角、內(nèi)摩擦角進(jìn)行性能表征?，F(xiàn)場(chǎng)閥室管道為鋼質(zhì)壓力管道,其拉伸過程與低碳鋼類似,整個(gè)過程可以分為彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮四個(gè)階段。選擇Ramber-Osgood模型管道本構(gòu)關(guān)系模型。閥室管道材料基本參數(shù)見表1,土體材料基本參數(shù)見表2。

表1 閥室管道材料基本參數(shù)

表2 土體材料基本參數(shù)

3.2 有限元模型

根據(jù)管道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),使用SolidWorks軟件對(duì)管道、土體進(jìn)行建模,并導(dǎo)入ANSYS軟件,然后將模型劃分為133 816個(gè)節(jié)點(diǎn)、834 893個(gè)網(wǎng)格。土體底部設(shè)置為固定約束,土體四側(cè)均添加軸向約束。模型長度方向的側(cè)面添加三個(gè)方向的位移約束,模型前后兩面只添加X方向的位移約束,模型底部添加固定約束,管道兩端均添加X、Y方向的位移約束。管道有限元分析模型如圖1所示,計(jì)算中暫不考慮溫度變化、初始應(yīng)力及外界振動(dòng)等因素對(duì)管道應(yīng)力的影響。

▲圖1 管道有限元分析模型

3.3 結(jié)果

由于填海區(qū)域內(nèi)地基土質(zhì)較軟,場(chǎng)地發(fā)生非均勻沉降,導(dǎo)致鋪設(shè)的管道也發(fā)生較為復(fù)雜的變形。埋地管道在土體壓力的作用下,不同位置產(chǎn)生不同程度的變形。隨著沉降量的增大,管道應(yīng)力也不斷增大。為了確定監(jiān)測(cè)時(shí)管道的極限沉降量,分別計(jì)算沉降量為10 mm、30 mm、50 mm、80 mm、100 mm、125 mm、150 mm時(shí)管道的最大等效應(yīng)力,結(jié)果見表3。

表3 管道最大等效應(yīng)力

由表3可以看出,管道沉降量與最大等效應(yīng)力基本呈線性關(guān)系,即最大等效應(yīng)力隨沉降量的增大而增大。當(dāng)沉降量達(dá)到125 mm時(shí),最大等效應(yīng)力為358.4 MPa,接近管道的許用應(yīng)力。因此,若以許用應(yīng)力作為管道失效破壞的標(biāo)準(zhǔn),在進(jìn)行閥室管道實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)時(shí),極限沉降量不應(yīng)大于125 mm。多次模擬結(jié)果顯示,埋地三通是埋地管道最大等效應(yīng)力產(chǎn)生的位置,因此埋地三通附近區(qū)域管道是應(yīng)力監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)部位。

4 影響因素分析

為了進(jìn)一步了解埋地管道在非均勻沉降作用下的應(yīng)力變化,合理進(jìn)行管道監(jiān)測(cè),提供行之有效的防護(hù)措施,分析管道內(nèi)壓、管道內(nèi)徑、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比等因素對(duì)管道應(yīng)力的影響程度。分析時(shí),采用控制變量法,在ANSYS軟件中計(jì)算管道的最大等效應(yīng)力。

4.1 管道內(nèi)壓

影響管道應(yīng)力的主要因素是管道內(nèi)壓。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),管道平均內(nèi)壓為6.66 MPa。為了更好地研究管道內(nèi)壓與管道最大等效應(yīng)力的關(guān)系,設(shè)管道內(nèi)壓為1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa,保持管道內(nèi)徑、管道壁厚、填埋濃度、土壤泊松比不變,分別進(jìn)行有限元分析,得到不同管道內(nèi)壓下的最大等效應(yīng)力,如圖2所示。

▲圖2 不同管道內(nèi)壓下最大等效應(yīng)力

由圖2可以看出,當(dāng)管道內(nèi)徑、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比保持不變時(shí),隨著管道內(nèi)壓的增大,管道的最大等效應(yīng)力也增大,因此最大等效應(yīng)力受管道內(nèi)壓的影響較大。

4.2 管道內(nèi)徑

隨著對(duì)天然氣需求的增長,管道工程建設(shè)趨向大口徑。為了研究管道內(nèi)徑對(duì)非均勻沉降管道最大等效應(yīng)力的影響,對(duì)600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm共五種管道內(nèi)徑進(jìn)行分析對(duì)比,結(jié)果如圖3所示。

▲圖3 不同管道內(nèi)徑下最大等效應(yīng)力

由圖3可以看出,當(dāng)管道內(nèi)壓、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比保持不變時(shí),隨著管道內(nèi)徑的增大,管道的最大等效應(yīng)力也增大,不過增大幅度會(huì)逐漸減小。當(dāng)管道內(nèi)徑達(dá)到1 000 mm時(shí),最大等效應(yīng)力為274.15 MPa,比小管道內(nèi)徑更接近管道的屈服強(qiáng)度。因此,大口徑管道在工程中的應(yīng)力監(jiān)測(cè)必不可少。

4.3 管道壁厚

管道壁厚會(huì)影響管道的抗變形能力,從而影響管道應(yīng)力。為了研究管道壁厚對(duì)管道最大等效應(yīng)力的影響,分別設(shè)置管道壁厚為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm,保持其它條件不變,進(jìn)行有限元分析,結(jié)果如圖4所示。

▲圖4 不同管道壁厚下最大等效應(yīng)力

由圖4可以看出,當(dāng)管道內(nèi)壓、管道內(nèi)徑、埋深、土壤泊松比保持不變時(shí),管道壁厚與管道的最大等效應(yīng)力成反比,即管道壁厚越大,管道的最大等效應(yīng)力越小,應(yīng)力減小幅度較穩(wěn)定。當(dāng)管道壁厚增大時(shí),管道的剛度會(huì)增大,管道的抗變形能力會(huì)提高,因此管道壁厚與管道最大等效應(yīng)力成反比。由此可見,在管道工程中,要注意可能導(dǎo)致管道壁厚減小的外部因素,如腐蝕等,從而防止因管道壁厚減小造成管道失效。

4.4 填埋深度

載荷作用在管道上的作用力會(huì)因?yàn)樘盥裆疃鹊母淖兌煌?為了研究埋填深度與管道最大等效應(yīng)力的關(guān)系,在其它條件相同的情況下,對(duì)填埋深度為1 000 mm、1 500 mm、2 000 mm、2 500 mm、3 000 mm共五種情況進(jìn)行有限元分析,結(jié)果如圖5所示。

▲圖5 不同填埋深度下最大等效應(yīng)力

由圖5可以看出,當(dāng)管道內(nèi)壓、管道內(nèi)徑、管道壁厚、土壤泊松比保持不變時(shí),隨著填埋深度的增大,管道的最大等效應(yīng)力也增大,增大幅度較小。因此,在管道工程中,為了減小管道應(yīng)力,敷設(shè)管道時(shí)應(yīng)選用淺埋方式。

4.5 土壤泊松比

土壤泊松比是土壤橫向應(yīng)變與豎向應(yīng)變的比值,與土壤性質(zhì)有關(guān)。設(shè)置土壤泊松比分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5,保持其它條件不變,進(jìn)行有限元分析,結(jié)果如圖6所示。

▲圖6 不同土壤泊松比下最大等效應(yīng)力

由圖6可以看出,當(dāng)管道內(nèi)壓、管道內(nèi)徑、管道壁厚、填埋深度保持不變時(shí),隨著土壤泊松比的增大,管道的最大等效應(yīng)力減小,減小幅度較小。由此可見,在管道工程中,土壤泊松比對(duì)管道最大等效應(yīng)力的影響較小。

5 管道安全運(yùn)行建議

不同環(huán)境條件會(huì)影響天然氣管道的安全運(yùn)行,對(duì)于我國沿海多降雨地區(qū)的閥室管道,筆者提出安全運(yùn)行建議。

施工前地基處理時(shí),將施工區(qū)域部分軟土地基挖除,隨后用砂石和灰土等材質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕性的材料進(jìn)行填實(shí)。

管道防腐蝕時(shí),用瀝青漆涂料、過氧乙烯涂料和環(huán)氧樹脂防腐涂料等提高管道的防腐蝕性能,將管道作為被保護(hù)的陰極,并采用犧牲陽極和外加電流等保護(hù)措施。

管道運(yùn)行維護(hù)時(shí),完善管道的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),全面、及時(shí)跟蹤管道應(yīng)力狀態(tài),并根據(jù)反饋信息選擇防范控制措施,避免閥室管道因非均勻沉降作用產(chǎn)生破壞,導(dǎo)致安全事故發(fā)生。

6 結(jié)束語

通過閥室管道有限元分析,得到了沉降量與管道最大等效應(yīng)力之間的關(guān)系,即管道最大等效應(yīng)力隨沉降量的增大而增大。以許用應(yīng)力作為管道失效破壞的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)閥室天然氣管道進(jìn)行實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)時(shí),極限沉降量不應(yīng)大于125 mm。

管道內(nèi)壓、管道內(nèi)徑、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比均對(duì)管道的應(yīng)力狀態(tài)有一定影響,降低管道內(nèi)壓,減小管道內(nèi)徑,增大管道壁厚,選擇泊松比大的填埋材料,均可減小不均勻沉降時(shí)管道的最大等效應(yīng)力。其中,管道內(nèi)壓、填埋深度的變化對(duì)管道應(yīng)力狀態(tài)的影響不大,而管道內(nèi)徑、管道壁厚的變化則會(huì)對(duì)管道應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。

預(yù)防非均勻沉降作用,需要對(duì)閥室天然氣管道從施工和運(yùn)營兩個(gè)方面入手,關(guān)鍵是做好閥室管道沉降和應(yīng)力監(jiān)測(cè),并及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行處理。