張羽翀

西部管道公司蘭州輸氣分公司

 

摘  要： 以澀寧蘭一線(xiàn)某穿越斜坡季節性?xún)鐾恋孛猜竦毓艿罏槔�，介紹了位于季節性?xún)鐾羺^的管道當前面臨的主要風(fēng)險、土體位移分布形式與位移大小的確定，以及季節性?xún)鐾羺^斜坡體位移作用下管道的受力和變形情況。采用向量式有限元方法，由空間梁?jiǎn)卧�和非線(xiàn)性土彈簧模型對災害點(diǎn)管道進(jìn)行了數值模擬，并得到管道現狀應力分布，為確定管道本體應變監測截面位置、估計管道現狀應力分布和管道安全評價(jià)提供依據。

關(guān)鍵詞： 季節性?xún)鐾羺^；管道位移；模型計算；應力分析

 

澀寧蘭一線(xiàn)K687+600處管道橫向敷設于斜坡中上部，除管溝發(fā)生沉陷外（最大沉陷深度近1 m），坡體垂直于管道方向發(fā)生了蠕動(dòng)變形。 2015年3月，現場(chǎng)調查滑坡后緣電線(xiàn)桿明顯向下坡方向傾倒，管道附近土體向下坡方向推移了2～3 m。與2012年7月現場(chǎng)調查相比，變形進(jìn)一步加劇，并對臨近的澀寧蘭復線(xiàn)管道的安全運營(yíng)構成嚴重威脅。詳情如圖 1―4所示。

K690+600處斜坡中部地勢較低，形成了明顯的匯水區域，土壤含水量極高；兩側地勢較高，含水量相對較低，導致該處差異性?xún)雒洏O為明顯，很容易造成管道局部應力集中。與此同時(shí)，受管道熱源影響，管周土體出現蠕動(dòng)變形，形成長(cháng)約120 m的熱融滑坡。從現場(chǎng)調查來(lái)看，滑坡周界清晰，若變形進(jìn)一步加劇，必將嚴重影響管道安全。

如圖 5所示，管道存在多處冷彎管（下文簡(jiǎn)稱(chēng)彎管），對管道在滑坡作用下的位移、應力和應變響應有很大影響，因此，在進(jìn)行管道本體應變監測[1]、管道位置測量和力學(xué)計算時(shí)，均應充分重視彎管鄰近段管道[2]。

1 土體位移分析

管道橫向敷設于斜坡中上部，坡體角度17°，坡腳有河道，坡體為粘土含少量卵石。此處海拔3 744 m，地面1.5 m以下就有凍土層分布，每年9月底土層上凍，到次年的5月左右才開(kāi)化。由于開(kāi)挖管溝和敷設管道，周邊巖土層受管道溫度影響較大，季節性?xún)鐾翆娱_(kāi)始融化，坡面融水漫流。融水入滲致使周邊土體呈塑流狀，破壞了土體原有的平衡狀態(tài)，垂直于管道敷設方向出現蠕滑。目前，斜坡體已出現明顯滑動(dòng)跡象，斜坡前緣呈圓弧狀外凸；原本呈直線(xiàn)狀布設的管溝出現弧狀彎曲，凸向坡外；坡體內設置的電線(xiàn)桿已向滑動(dòng)方向傾斜。從現場(chǎng)調查來(lái)看，滑坡長(cháng)約120 m，管溝內側坡體已向管道外側推移2.5 m，推測滑動(dòng)面為永凍土與融化土層的分界面，嚴重影響管道安全。結合現場(chǎng)踏勘、竣工資料和衛星圖影像判斷，管道與土體蠕滑作用的位置關(guān)系如圖 6所示，管道與坡體方向的夾角為73.9°。

為確定管道走向，采用雷迪探測儀和全站儀相結合，實(shí)測10處災害點(diǎn)管道的三維坐標信息，相對坐標位置如表 1所示。依據測點(diǎn)坐標，由冷彎管曲率半徑40 D為基準，復現真實(shí)光滑管軸線(xiàn)，并基于此建立管道有限元計算模型，如圖 7所示。

                

采用位移加載的方法，分析管道在位移載荷作用下的受力狀態(tài)。共測得10個(gè)位移數據，據此結果使用最小二乘法擬合管段的位移分布，即可描述管道沿線(xiàn)任意一點(diǎn)的土體位移大小。

按照前述坐標體系，將管道的空間位移矢量分解為y方向和z方向，分別進(jìn)行位移分布擬合，擬合中采用了如式（1）所示的四次位移分布假設，得到管道承受的各方向土體位移分布如圖 8所示。

2 管道受力分析

2.1 管道基本參數

結合澀寧蘭一線(xiàn)設計資料及現場(chǎng)檢測結果，管道基本參數見(jiàn)表 2。

2.2 計算模型

采用向量式有限元方法中的管單元和非線(xiàn)性土彈簧單元進(jìn)行管道受力分析，分析模型模擬在給定地表變形的情況下，管道與土體之間的相互作用，進(jìn)而確定管道在不同工況下的力學(xué)響應[3]。管道受力簡(jiǎn)化模型及受力分析模型如圖 9所示。有限元計算模型的坐標系以管道軸向為X軸，順氣流方向為正；以垂直管道軸向且豎直向上為z軸正方向；以垂直管道且水平指向坡外為y軸正方向。

參考GB 50470―2008 《油氣輸送管道線(xiàn)路工程抗震技術(shù)規范》 [4]附錄E中關(guān)于土彈簧的規定，將管道與土體相互作用力用一系列離散非線(xiàn)性土彈簧進(jìn)行模擬。根據現場(chǎng)踏勘和管道建設期資料，管周土壤按軟粘土且相關(guān)土壤參數見(jiàn)表 3，管道三向土彈簧參數見(jiàn)表 4。

                

土體滑坡導致的管道附加應力在設計階段未考慮在內，因此進(jìn)行有限元計算時(shí)，僅對管道施加土體位移作用，不施加溫度和內流壓力等設計荷載。但是，為準確評估管道安全性，后文在進(jìn)行管道應力校核時(shí)，考慮了內流壓力和溫度所導致的管道應力。

2.3 結果分析

計算結果表明，當最大土體位移為1 m時(shí)，管道最大軸向應力約為217 MPa，最大壓應力﹣60.7 MPa，下游段承受較大拉應力， X 3截面附近受力最不利， X2截面為反彎點(diǎn)，受力狀態(tài)復雜， X1截面相對安全。

如圖 10所示為管道應力分布。管道為大長(cháng)細比結構，其受力與變形可分解為水平彎曲、豎向彎曲、軸向拉伸（或壓縮）及扭轉變形的組合。由于管道在 側向土體推移作用下主要承受拉（壓）彎組合變形，扭轉作用較弱。因此，計算結果不討論管道軸向扭轉應力的影響。管道應力由水平彎曲應力、豎向彎曲應力、軸向平均拉伸（或壓縮）應力疊加得到。如圖 11所示，管道在X<100 m區段主要承受拉彎變形，而在X>100 m區段則承受壓變變形，這是由管道走向特征和土體位移分布特征決定的。

            

在土體蠕滑位移作用下，管道將發(fā)生軸向、側向和豎向位移，管道變形規律與土體位移規律近似，但隨管道受力特征而變。如圖 12所示為管道軸向、側向和垂向位移分布。在X<100 m區段內，軸向位移為正，說(shuō)明管道在土體位移作用下朝X軸正方向有軸向移動(dòng)，進(jìn)而造成X<100 m區段內管道軸向受拉而X>100 m區段內管道軸向受壓。在土體位移作用下管道發(fā)生相應的側向和豎向位移，并造成彎曲應力。如圖 10所示，管道軸向彎曲應力不僅隨位移分布改變，而且與圖 7中管道走向相關(guān)。彎曲應力極值處對應于土體剪切作用較大處和管道走向改變處，因此在土體剪切帶和彎管處應重點(diǎn)關(guān)注管道彎曲變形情況。

季節性?xún)鐾羺^的土體蠕滑現象具有周期性，在每年凍土融化過(guò)程中都會(huì )有不同程度的位移發(fā)生，隨著(zhù)年限增加，土體位移可達到較大水平。為評測當前模型中管道可承受的最大土體位移，將土體位移等比例增大至最大2 m，得相應的應力和位移分布。

計算結果顯示，當最大土體位移為2 ｍ時(shí)，管道最大軸向拉應力約為329 MPa，最大壓應力﹣18.4 MPa，下游段承受較大拉應力， X3截面附近受力最不利， X2截面為反彎點(diǎn)，受力狀態(tài)復雜， X1截面相對安全。對比土體位移為1 m時(shí)的計算結果，管道受力變形規律保持不變，但應力與位移增大。詳見(jiàn)圖 13―15。

                    

2.4 應力校核

為判斷管道在土體蠕滑作用下的安全狀態(tài)，需要校核管道應力。依據美國機械工程師協(xié)會(huì )ASMEB 31.8―2007和GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規范》相關(guān)規定[5-6]，分別校核管道軸向拉伸應力和軸向壓縮應力。由于管道應力不僅由季節性?xún)鐾羺^斜坡體蠕滑作用引起，同時(shí)與溫度和內壓密切相關(guān)，因此在校核管道軸向應力時(shí)必須考慮內壓引起的環(huán)向應力、環(huán)向應力引起的軸向泊松應力和管體溫度改變引起的溫度應力。詳情如表 5所示。

依據規范[5,6]要求，管道軸向應力和當量應力均不應超過(guò)0.9倍屈服應力，即0.9×415 MPa=373.5 MPa。當最大土體位移分別為1 m和2 m時(shí)，應力校核過(guò)程如下。

土體位移為1 m時(shí)管道軸向應力：

 

土體位移為1 m時(shí)管道當量應力：

 

土體位移為2 m時(shí)管道軸向應力：

 

土體位移為2 m時(shí)管道當量應力：

 

校核結果顯示，當土體位移為1 m時(shí)，管道軸向應力和當量應力均滿(mǎn)足規范要求，管道安全；當土體位移為2 m時(shí)，管道軸向應力為397.2 MPa，大于許用值373.5 MPa，管道失效。

3 結論

（1）建立了針對季節性?xún)鐾羺^斜坡體蠕滑作用下埋地管道應力計算有限元模型。模型考慮了管道的豎向彎曲、水平彎曲和軸向拉伸（壓縮）組合變形，采用非線(xiàn)性土彈簧模擬土體對管道的作用力；其中，土體位移分布的確定結合了實(shí)測地表位移和四次位移分布假設。

（2）計算結果顯示，當土體最大位移為1 m時(shí)，管道軸向應力和當量應力處于規范認定的可接受水平；但當土體最大位移達到2 m時(shí)，管道軸向應力超過(guò)規范許用值，管道失效。

 

參考文獻：

[1] 陳友昌, 籍程, 黃建忠, 劉暢. 凍土區埋地油氣管道應變監測及預報系統[J]. 中國地質(zhì)災害與防治學(xué)報,2011, 22(4): 122-126.

[2] 馮偉, 黃建忠. 滑坡變形對輸氣管道安全的影響分析[J]. 中國地質(zhì)災害與防治學(xué)報, 2009, 20(1): 51-54.

[3] 劉俊卿. 基于向量式有限元方法研究地質(zhì)災害作用下埋地管道的力學(xué)響應[D]. 中國科學(xué)院大學(xué), 2016.

[4] GB/T 50470-2017 油氣輸送管道線(xiàn)路工程抗震技術(shù)規范[S].

[5] GB 50251-2015 輸氣管道工程設計規范[S].

[6] ASME B31.4-2016 Pipeline Transportation Systemsfor Liquids and Slurries[S].

 

作者：張羽翀， 1975年生，工程碩士，中石油西部管道公司蘭州輸氣分公司副經(jīng)理，長(cháng)期從事管道工程建設運營(yíng)管理技術(shù)工作。