石來民

(浙江浙能天然氣運行有限公司 浙江 杭州 310052)

0 引 言

浙江省有較多的河流等水域，天然氣管網(wǎng)埋地穿越水域段較多，且隨著全省排澇工程整治施工，對水域穿越段管道造成損壞[1- 2]。2020年浙江某水域由于河道清淤工程導致穿越段管道發(fā)生滑移事故，滑移長度約為81 m，為滿足安全生產(chǎn)要求和盡快恢復供氣，需要對滑移管段進行失效分析和安全評估。

目前，已有許多學者在該領(lǐng)域開展了相關(guān)研究，2012年HAN Bing等使用ABAQUS有限元法模擬研究滑坡地段埋地管道應(yīng)變分布[3]，得到了不同半徑壁厚比的應(yīng)變分布曲線。2014年吳新果等人使用CAESAR軟件建立埋地管道模型[4]，對埋地管道進行應(yīng)力分析，得出的結(jié)論為：無論何種工況下，彎管都是應(yīng)力危險的關(guān)鍵點，模擬的結(jié)果可用于工程實際中判別管道是否發(fā)生強度失效。

目前國內(nèi)外針對滑坡段埋地管道只是進行了簡單單個軟件模擬分析，本文針對該管段滑移事故，采用了ABAQUS有限元法和CAESAR軟件同時進行滑坡段管道應(yīng)力分析，對比兩個軟件計算結(jié)果，同時對所影響的管道進行開挖現(xiàn)場測試，以分析滑移管段的失效原因并進行安全評估。

1 現(xiàn)場開挖檢測

2020年浙江某水域由于河道清淤工程導致穿越段管道發(fā)生滑移事故，滑移長度約為81 m，圖1為管段滑移事故現(xiàn)場滑移管道宏觀形貌。

圖1 滑移事故現(xiàn)場滑移管道宏觀形貌

對圖1中的段滑移管道進行用宏觀檢查和表面無損檢測。宏觀檢查包括檢測管道4處環(huán)焊縫宏觀檢查、焊縫寬度、錯邊、余高、腐蝕檢查、焊縫成型質(zhì)量、焊瘤和表面裂紋等項目的檢查。經(jīng)過宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)表面缺陷，焊縫寬度、錯邊和余高等尺寸符合要求。

無損檢測項目包括表面磁粉檢測、滲透檢測、超聲檢測、相控陣檢測以及射線檢測。經(jīng)過無損檢測，滑移段管道的焊縫沒有超標缺陷。

2 穿越段管道應(yīng)力數(shù)值模擬計算

發(fā)生滑移事故的管道的設(shè)計壓力為6.3 MPa，輸送介質(zhì)為天然氣，鋼管尺寸規(guī)格為Φ813 mm×14.3 mm，鋼管的最小測量壁厚為14.1 mm，鋼管的材料為L450，鋼管材料性能見表1，該段管線均采用三層PE加強級防腐層和強制電流陰極保護方法進行腐蝕防護。

表1 鋼管材料性能

管道滑移分析的傳統(tǒng)方法包括確定滑移段的土力學參數(shù)及管-土相互作用參數(shù)，確定邊界條件并施加載荷，模擬管道的滑移過程從而得到管道滑移量[5-6]。由于該段管道的滑移段長度及滑移量都是通過開挖方式獲得，故對土力學參數(shù)及管-土相互作用參數(shù)不進行分析，直接通過現(xiàn)場勘測確定滑移段管道的邊界條件并施加載荷，從而模擬管道的滑移過程。鋪設(shè)完成后的管道在滑移事故前的位置示意圖如圖2所示，圖2中的W1～W7下方的兩條直線即為位于地下的管道，兩側(cè)的黑色方框為管道埋地的固定部位。該模型為細長桿結(jié)構(gòu)，為確保計算精度，采用梁單元建立管道模型。在管道兩端設(shè)立邊界條件，確定其沿管道軸向可自由移動和轉(zhuǎn)動。根據(jù)上述條件，圖3是根據(jù)管道滑移位移工況繪制模擬載荷施加方式示意圖。經(jīng)過計算選取5個點施加位移載荷，確定各點施加的位移載荷所對應(yīng)的位移分別為0.5、0.65、0.65、0.5和0.3 m，這樣可使管道最大滑移量為0.7 m，且該點位置符合現(xiàn)場的實際情況。

圖2 滑移前的管道在地下的位置示意圖

圖3 管道位移施加方式

3 計算結(jié)果與分析

3.1 ABAQUS有限元計算結(jié)果

管道滑移后會發(fā)生彎曲，從而在管壁內(nèi)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，若該應(yīng)力超過鋼管材料的屈服強度則會使管道發(fā)生屈曲變形。管道運行壓力為6.3 MPa，從有限元和理論計算兩方面分析滑移后管道的應(yīng)力狀態(tài)，并評估其安全狀況。該段管道中包含兩個彎管，在橫向位移作用下，彎管的內(nèi)外側(cè)為應(yīng)力集中處，如圖4所示。

圖4 彎管處管道應(yīng)力分布云圖

管道滑移后，滑移前方(凸側(cè))管壁內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力而滑移后方(凹側(cè))管壁內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力，而由內(nèi)壓導致的管壁所承受的荷載均為拉應(yīng)力。將彎頭處應(yīng)力值和位移荷載加載進度之間的關(guān)系繪制成曲線，如圖5所示。從圖5可見，由滑移導致的此處的最大應(yīng)力值約為64.3 MPa。

圖5 彎頭處各點應(yīng)力最大值

內(nèi)壓引起的荷載主要表現(xiàn)為管壁內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力[7]。根據(jù)薄壁殼理論，該環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力之比為2:1，因此只需校核環(huán)向應(yīng)力是否滿足強度要求[8]。根據(jù)力平衡原理受內(nèi)壓荷載的管道管壁內(nèi)環(huán)向應(yīng)力計算如下[9-10]：

2·L·δ·σ=L·D·P

(1)

式(1)中：L為管道長度，mm；σ為管壁內(nèi)應(yīng)力，MPa；δ為管壁厚度，mm；D為管徑，mm；P為管道內(nèi)壓力，MPa。

由式(1)可得出管壁內(nèi)應(yīng)力計算式如下：

σ=DP/2δ

(2)

在式(2)中代入相關(guān)參數(shù)可計算出由內(nèi)壓荷載導致的管壁內(nèi)應(yīng)力為：σ=(813-14.1×2)×6.3/(2×14.1)=175.3 MPa，該應(yīng)力與滑移導致的彎曲應(yīng)力疊加，可計算出彎管處管壁內(nèi)最大應(yīng)力為：64.3 MPa+175.3 MPa=239.6 MPa

L450管線鋼的屈服應(yīng)力為450 MPa，由于該段管線位于市區(qū)河道內(nèi)且周圍有密集居民區(qū)，根據(jù)GB50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》標準，該區(qū)域?qū)儆诟吆蠊麉^(qū)[8]，取安全系數(shù)為0.6，則運行工況應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值為：239.6/(450×0.6)=88.7%，即當量應(yīng)力約是許用應(yīng)力的88.7%。

3.2 CAESAR軟件計算結(jié)果

用CAESAR軟件模擬滑移管道的位移情況，模擬結(jié)果如圖6所示，用CAESAR軟件計算結(jié)果顯示最大Mises應(yīng)力同樣出現(xiàn)在彎管處，當量應(yīng)力約是最小屈服強度的93.6%。

圖6 CAESAR軟件模擬管線滑移圖

3.3 ABAQUS和CAESAR兩種軟件分析結(jié)果對比分析

將ABAQUS有限元法軟件計算的應(yīng)力與CAESAR軟件計算的應(yīng)力進行對比，CAESAR軟件計算的應(yīng)力大于ABAQUS有限元軟件計算所計算的應(yīng)力值，這兩個計算結(jié)果的差值是在5%以內(nèi)。另外，這兩種軟件的應(yīng)力計算結(jié)果均符合GB 50251—2015標準要求的埋地管段的當量應(yīng)力應(yīng)小于鋼管的最小屈服強度 95%的要求，在以后的使用過程中應(yīng)定期對管道進行質(zhì)量檢驗和評價。

4 結(jié)論與建議

1)無損檢測結(jié)果表明，滑移段管道的焊縫沒有超標缺陷。河道清淤工程施工作業(yè)是管道發(fā)生滑移事故的主要原因。

2)管道發(fā)生滑移后，管線的最大等效應(yīng)力和最大位移量均位于彎管處。

3)ABAQUS有限元分析計算的該滑移管道當量應(yīng)力與許用應(yīng)力之比為88.7%，CAESAR軟件模擬和應(yīng)力計算的當量應(yīng)力約為最小屈服強度的93.6%，這兩種軟件的應(yīng)力計算結(jié)果均符合GB 50251—2015標準要求的埋地管段的當量應(yīng)力應(yīng)小于鋼管最小屈服強度的 95%的要求，因而滑移管道可以繼續(xù)使用。

4)由于滑移后的管道在彎管處存在較大的應(yīng)力，建議在使用過程中應(yīng)定期對該管道進行質(zhì)量檢驗和評價。