黎志昌

（佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司，廣東佛山 528000）

天然氣管線的淺埋問(wèn)題和露管問(wèn)題都會(huì)對(duì)管線的運(yùn)行安全性產(chǎn)生影響，相關(guān)部門(mén)要對(duì)具體問(wèn)題予以具體分析，從而落實(shí)相應(yīng)的處理方案，在全面且充分了解工況環(huán)境的基礎(chǔ)上，維護(hù)天然氣長(zhǎng)輸管線運(yùn)行的安全性。

1 天然氣長(zhǎng)輸管線彈性沉降規(guī)律研究

工程項(xiàng)目若是處于平坦段區(qū)域，要結(jié)合天然氣管線的埋深實(shí)際距離以及暴露情況落實(shí)具體問(wèn)題具體分析的機(jī)制，從而全面了解彈性沉降的規(guī)律。

1.1 差異化撓度天然氣管線彈性沉降規(guī)律

結(jié)合具體情況落實(shí)相匹配的分析機(jī)制，選取撓度為0.9 m、1.2 m、1.5 m，對(duì)應(yīng)的管線材質(zhì)為L(zhǎng)450M，尺寸為D610×15.9 mm，對(duì)不同情況進(jìn)行具體分析，參數(shù)如下：

（1）撓度0.9 m，開(kāi)挖距離為95.8 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為139 MPa。

（2）撓度1.2 m，開(kāi)挖距離為118.2 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為149 MPa。

（3）撓度1.5 m，開(kāi)挖距離為139.7 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為159 MPa。

結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)可知，管線的撓度越小，對(duì)應(yīng)的管線開(kāi)挖距離也隨之縮小，最大的區(qū)域是管線的中部，而在變形后相應(yīng)的應(yīng)力參數(shù)會(huì)極大降低，甚至低于整個(gè)管線的屈服強(qiáng)度，此時(shí)管線在沉降后并沒(méi)有失效[1]。

1.2 淺埋或者是裸露區(qū)域管線彈性沉降規(guī)律

選取的對(duì)應(yīng)管線材質(zhì)為L(zhǎng)450M，尺寸為D610×15.9 mm，應(yīng)用ABAQUS完成對(duì)應(yīng)有限元分析模型的設(shè)定，選定的裸露長(zhǎng)度為50 m。利用有限元評(píng)價(jià)方法獲取不同撓度下管線開(kāi)挖距離以及變形應(yīng)力參數(shù)，具體情況如下：

（1）撓度0.9 m，開(kāi)挖距離為92 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為189 MPa。

（2）撓度1.2 m，開(kāi)挖距離為115 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為204 MPa。

（3）撓度1.5 m，開(kāi)挖距離為138 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為216 MPa[2]。

結(jié)合數(shù)據(jù)可知，撓度和管線開(kāi)挖距離之間形成了正比例關(guān)系，與淺埋或者是裸露相比，統(tǒng)一撓度情況下，管線沉降后的應(yīng)力參數(shù)相差也較小，管線未失效。

1.3 不同管線尺寸對(duì)管線彈性沉降的影響

材質(zhì)依舊為L(zhǎng)450M，對(duì)應(yīng)尺寸選取三個(gè)對(duì)象，分比為D610×15.9 mm、D610×12.7 mm、D610×11.9 mm，選取0.9 m、1.2 m、1.5 m為撓度對(duì)照，參數(shù)如下：

（1）管線尺寸為D610×11.9 mm。①撓度0.9 m，開(kāi)挖距離95.8 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為139 MPa。②撓度1.2 m，開(kāi)挖距離為118.2 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為149 MPa。③撓度1.5 m，開(kāi)挖距離為139.7 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為159 MPa。

（2）管線尺寸為D610×12.7 mm。①撓度0.9 m，開(kāi)挖距離97.8 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為156 MPa。②撓度1.2 m，開(kāi)挖距離為119.5 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為166 MPa。③撓度1.5 m，開(kāi)挖距離為140.3 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為175 MPa。

（3）管線尺寸為D610×15.9 mm。①撓度0.9 m，開(kāi)挖距離99.2 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為165 MPa。②撓度1.2 m，開(kāi)挖距離為120.5 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為175 MPa。③撓度1.5 m，開(kāi)挖距離為141.8 m，對(duì)應(yīng)的變形應(yīng)力為184 MPa[3]。

結(jié)合對(duì)應(yīng)的參數(shù)可知，管線尺寸越大相應(yīng)的開(kāi)挖距離也就越大，隨之產(chǎn)生的管線沉降后應(yīng)力參數(shù)也增大，盡管在1.5 m撓度時(shí)達(dá)到184 MPa，但是依舊沒(méi)有超出管線的屈服強(qiáng)度，管線未失效。

2 天然氣長(zhǎng)輸管線彈性沉降分析

2.1 軟件系統(tǒng)

為了確保能對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管線彈性沉降情況予以系統(tǒng)分析，要應(yīng)用ABAQUS軟件系統(tǒng)，在完成靜態(tài)分析、準(zhǔn)靜態(tài)分析、瞬態(tài)分析的同時(shí)，還能對(duì)碰撞沖擊、屈服以及斷裂等情況予以核查，從而建立有限元分析模型，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。在具體分析中，應(yīng)用ABAQUS就是為了建立完整且有效的仿真分析模型，從而對(duì)不同開(kāi)挖狀態(tài)下沉降管道變形情況和應(yīng)力變化予以分析。

2.2 有限元分析

結(jié)合實(shí)際情況建立單元模型，能有效提升計(jì)算精度，匹配ABAQUS軟件分析模型，就能對(duì)沒(méi)有達(dá)到驗(yàn)收規(guī)范或者是后期人為破壞的管線進(jìn)行力學(xué)模型的分析，將管線簡(jiǎn)化為拱形弧線（圖1），從而落實(shí)相應(yīng)的分析模式。

圖1 簡(jiǎn)化示意圖

圖中h表示拱高，就是指天然氣長(zhǎng)輸管線的偏移距離；L表示弧線的水平距離，也就是整個(gè)工程項(xiàng)目的開(kāi)挖距離。在L達(dá)到一定數(shù)值后，管線就必然會(huì)受到重力作用出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的沉降，要應(yīng)用有限元分析模型計(jì)算開(kāi)挖長(zhǎng)度變形情況以及內(nèi)部應(yīng)力參數(shù)，從而完成不同撓度情況下的開(kāi)挖距離[4]。

按照“建立管道部件—定義材料屬性—?jiǎng)?chuàng)建截面—裝配部件—建立分析元—定義邊界—?jiǎng)澐志W(wǎng)格—建立作業(yè)—求解—計(jì)算結(jié)果—輸出沉降距離和變形應(yīng)力參數(shù)”的流程完成有限元分析。

3 天然氣長(zhǎng)輸管線彈性沉降管道力學(xué)分析

本文以KF到ZZ某天然氣長(zhǎng)輸管線施工項(xiàng)目為例，由于施工中操作人員的不良操作，后續(xù)成品保護(hù)工作不到位，造成管線出現(xiàn)了200 mφ377×9的管線外露，對(duì)管線的安全產(chǎn)生影響，需要施工部門(mén)結(jié)合實(shí)際情況落實(shí)對(duì)應(yīng)的沉降處理工作。

3.1 判定計(jì)算條件

在實(shí)際計(jì)算分析工作開(kāi)始前，要將作為研究對(duì)象的管道視為彈性支梁結(jié)構(gòu)，對(duì)于長(zhǎng)輸管線結(jié)構(gòu)而言，一般都具有較長(zhǎng)的特點(diǎn)。若是將某一段落實(shí)開(kāi)挖處理從而建立取土沉降，就要設(shè)定為雙向伸梁結(jié)構(gòu)，外伸的長(zhǎng)度近似設(shè)計(jì)為無(wú)限長(zhǎng)。并且，多數(shù)管道本身就是直埋處理，所以支座就設(shè)定為彈性支座[5]。

需要注意的是，若是將管道視為荷載受力均勻的筒支梁結(jié)構(gòu)，不僅要保證最大的彎矩所處的截面維持平均剪應(yīng)力，還要確保在管道出現(xiàn)塑性變形的時(shí)候，整個(gè)管道依舊能維持穩(wěn)定性。

3.2 計(jì)算分析

在計(jì)算過(guò)程中，管道內(nèi)徑數(shù)值、外徑數(shù)值、沉降管道段的長(zhǎng)度都是固定數(shù)值，并且能匹配管道焊縫等參數(shù)完成計(jì)算。

（2）強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算，若是應(yīng)用的鋼管，且本身是塑性材料，所以要按照第三強(qiáng)度理論完成分析，得出Sr3，并且利用第四強(qiáng)度理論計(jì)算對(duì)比數(shù)值Sr4，若是Sr3大于Sr4，要想提升整體輸氣管道的安全性和運(yùn)行穩(wěn)定性，就要借助強(qiáng)度理論分析的方式。

（3）利用[M]=Wx[Sr3]計(jì)算鋼管截面的允許彎矩，利用計(jì)算管道的荷載，若是[M]小于M，則要依據(jù)[M]的具體情況計(jì)算對(duì)應(yīng)的撓度，若是[M]等于M，則按照q為8 m/L2完成荷載參數(shù)的計(jì)算。

本案例中，截面形芯的位置是Y1=Y2=188 m，利用對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式得出[M]為241 285.8 Nm，而對(duì)應(yīng)的M數(shù)值為3 262 161 Nm，彈性沉降的撓度為126.89 cm[7]。

3.3 完善施工流程

在完成對(duì)應(yīng)計(jì)算分析后，就要依據(jù)實(shí)際情況落實(shí)匹配的施工方案，確保能減少安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患問(wèn)題，最大程度上提高天然氣管線應(yīng)用管理的綜合水平。

（1）相關(guān)部門(mén)要落實(shí)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖工序，結(jié)合計(jì)算獲得的撓度數(shù)值以及管道在實(shí)際應(yīng)用中下沉后的曲線參數(shù)，落實(shí)匹配的放線挖溝處理，并且間隔10 m位置就設(shè)置原土的土墩。需要注意的是，相關(guān)施工部門(mén)要關(guān)注管道目前的應(yīng)用情況以及管道周?chē)耐恋厍闆r。

（2）在開(kāi)挖操作中，針對(duì)已經(jīng)被破壞的防腐層要予以關(guān)注，借助瀝青玻璃絲布完成局部的防腐控制，有效提升其應(yīng)用效率。

（3）要集中拆除管道下方的原土墩結(jié)構(gòu)，確?，F(xiàn)場(chǎng)專業(yè)技術(shù)人員能統(tǒng)一指揮操作，結(jié)合曲線的變化情況從中心位置向兩側(cè)位置同時(shí)操作，提升應(yīng)用方案的合理性。

（4）因?yàn)楣艿辣旧硎腔⌒危?，沉降量控制?.45 m左右。

（5）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境分析和數(shù)據(jù)提取后可知，管道位置較為特殊，因此，配置了配重塊，結(jié)合管道自重、管道防腐層重量、天然氣浮力、水中浮力等計(jì)算出每200 m的位置設(shè)置總配重為5 500 kg。因?yàn)楣こ添?xiàng)目采取的是鋼筋混凝土塊，結(jié)合具體施工管道要求分配重量[8]。

3.4 注意的問(wèn)題

為了保證天然氣管線沉降處理工作的合理性，也要對(duì)具體方案的應(yīng)用流程予以關(guān)注，切忌盲目處理，而是要結(jié)合具體情況落實(shí)匹配的設(shè)計(jì)方案。

（1）技術(shù)部門(mén)要對(duì)管道的具體埋設(shè)情況予以分析，尤其是彎頭以及折點(diǎn)位置等，避免彈性沉降數(shù)據(jù)計(jì)量的單一性。

（2）要對(duì)埋設(shè)區(qū)域的水位情況予以全面調(diào)研分析，若是水位較高，則要結(jié)合實(shí)際情況落實(shí)具體的管道配重控制，而配重的參數(shù)要考量自身重量、浮力、管內(nèi)天然氣浮力等具體參數(shù)。

（3）要對(duì)隱蔽工程予以重視，其中，土建施工、光纜電纜施工等都會(huì)對(duì)具體操作方案產(chǎn)生影響，并且，要著重分析埋深參數(shù)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

在天然氣長(zhǎng)輸管線彈性沉降分析工作中，要結(jié)合具體情況落實(shí)相匹配的分析方案，并且計(jì)量對(duì)應(yīng)參數(shù)，有效避免安全問(wèn)題受到影響，結(jié)合沉降規(guī)律和有限元分析工作優(yōu)化參數(shù)處理效率，為工程項(xiàng)目綜合應(yīng)用水平的提升奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，在滿足經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益基礎(chǔ)上，促進(jìn)天然氣產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。