崔 毅,麻宏強

(1. 山西建筑職業(yè)技術(shù)學院 設(shè)備工程系,山西 晉中 030619; 2. 蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730050)

埋地集輸管道不可避免的要經(jīng)過地質(zhì)地形復雜地區(qū)，而巖石坍塌是地質(zhì)地形復雜地區(qū)最為常見的地質(zhì)災害[1-3].而埋地集輸管道多沿山體坡腳敷設(shè)，山坡上危巖、松動石塊很多，受人為因素、降雨等自然災害影響，極其容易下落，可能造成埋地管道局部應力集中，嚴重時導致管道變形失效.

巖石坍塌對埋地管道作用的研究以落石沖擊過程和管道應力安全性評價兩方面為主.許沖[4]、黃潤秋[5]、許強等[6]對2008年汶川大地震引發(fā)的數(shù)萬余起巖石坍塌及滑坡災害進行系統(tǒng)的分析和歸類.Nicoletti[7]通過圖形化和統(tǒng)計化處理得到了區(qū)分大型災害的形態(tài)和運動方式，依據(jù)運動過程機械能的耗散率將這三種分為低中高耗能型.丁鳳鳳等[8]和鄧學晶等[9]通過剛體離散單元法對落石沖擊管道的受力特性進行了研究，得到了巖體沖擊作用范圍，加大管道埋深的方法保護管道的結(jié)論.王巖等[10]對落石作用在埋地輸氣管道不同埋深時的動力響應進行了三維數(shù)值模擬，得出管道在不同埋深下的管道應力與時間的關(guān)系.王磊[11]分析了巖石坍塌過程中土壤材料參數(shù)(彈性模量、泊松比、管土摩擦系數(shù))對管道位移的作用規(guī)律.張杰等[12]建立了球形落石沖擊油氣管道的計算模型，分析了管道動態(tài)響應過程的敏感性參數(shù)對管道的凹陷率的影響，得到管道塑性變形隨著沖擊速度和落石半徑的增大而增大.吳世娟[13]模擬分析了管道遭受不同重量和不同下落高度落石撞擊的應力變化規(guī)律，校核了落石危害下的管道強度.劉衛(wèi)國等[14]利用LS-DYNA程序模擬了埋地輸氣管道在巖石坍塌、土壤和內(nèi)壓相互作用下的動態(tài)響應，并基于VCCT方法得出了落石在不同沖擊速度下的動態(tài)應力強度因子；研究結(jié)果表明，對于含內(nèi)表面半橢圓裂紋的埋地輸氣管道受垂直沖擊載荷時，裂紋前沿各點的應力強度因子隨著角度的增加而增加，在裂紋最深處達到最大；在落石質(zhì)量一定的條件下，分別獲得了無裂紋管道的峰值有效應力和含初始裂紋管道的動態(tài)斷裂參數(shù)與落石沖擊速度的關(guān)系曲線，并擬合出相應的函數(shù)關(guān)系以便于工程應用.綜上所述，對于巖石坍塌對管道沖擊效果影響的研究文獻眾多，但對于管道結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)規(guī)律性分析較少，仍需要進一步探究.

本文基于彈塑性力學理論，采用有限元模擬方法，建立了巖石坍塌作用下埋地集輸管道應力分析模型，分析了坍塌巖石作用下埋地集輸管道的應力變化規(guī)律，得到了管道應力隨各影響因素的變化規(guī)律.

1 有限元模型分析

1.1 物理模型簡化

滑坡等自然災害發(fā)生時，山澗巖石沖擊在埋地管道上層覆土上，土壤通過形變承載部分沖擊載荷，作用區(qū)域下方管道受沖擊作用，局部出現(xiàn)應力集中，嚴重時發(fā)生變形失效；本文采用落石沖擊力代替坍塌落石對于管道上層覆土作用，從而模擬巖石坍塌對埋地集輸管道應力的影響.坍塌落石對地面的沖擊力計算主要來源于鐵路部門，較為常用的落石對地表的沖擊力計算方法有路基工程手冊、隧道手冊法、Labiouse法、Kawahara法、楊其新法等[15]，Kawahara法是既結(jié)合實驗，又結(jié)合Hertz彈性碰撞理論而得到的公式，計算結(jié)果與實驗吻合較好，因此本文采用Kawahara公式計算得到?jīng)_擊作用力，代替坍塌落石對管道上層覆土的作用效果.模型參數(shù)：管道直徑323.9 mm；管道壁厚14.2 mm；管道埋深0.8 m；沖擊接觸區(qū)域面積0.25 m2；管底土壤深度2 m；寬10 m；長20 m.幾何模型如圖1所示.

圖1 坍塌巖石沖擊幾何模型圖Fig.1 Geometric model of impact of collapsed rock

1.2 材料屬性及邊界條件

埋地管道必須考慮管土相互作用，本文使用準確度更高的管土非線性接觸耦合模型[11]；土壤采用Drucker-Prager，土壤的彈性模量取2 600 GPa、泊松比0.28，密度2 620 kg/m3.管道管材為L360，采用雙線性理想彈塑性材料模型，密度設(shè)為7 850 kg/m3、彈性模量210 GPa、屈服強度360 MPa、抗拉強度460 MPa、泊松比0.3.

管道上方覆土受沖擊區(qū)域施加坍塌巖石等效沖擊作用力，土壤外表面施加定常溫度邊界，管道內(nèi)部施加正常運行條件下的溫度、壓力邊界，對模型整體施加y方向的重力加速度.土體模型底面、管道截面和土壤截面約束全部自由度，土體上表面設(shè)定為自由邊界，前后面，約束x方向.

2 坍塌巖石作用下埋地集輸管道應力影響分析

2.1 坍塌巖石大小與沖擊載荷的關(guān)系

某閥室附近已知滑坡落石原位置距下方管道位置約20 m左右，下落高度h取20 m；結(jié)合巖石坍塌現(xiàn)場實際，確定坍塌石塊與埋管地面接觸面積取0.25 m2.圖2為正方體石塊邊長與落石沖擊載荷關(guān)系.由圖可得，沖擊載荷隨石塊半徑或邊長呈指數(shù)形式增加；當正方體邊長從0.4 m變到1.8 m時，沖擊載荷可由1.6 MPa變到24 MPa.當巖石下落高度增加時，沖擊載荷變化速率迅速增加，但當石塊體積較小時，不同下落高度引起的沖擊載荷差異并不明顯.

圖2 不同正方體邊長石塊對應坍塌落石沖擊載荷

2.2 坍塌巖石作用下各個因素對埋地集輸管道應力的影響

2.2.1坍塌巖石沖擊載荷對埋地集輸管道應力的影響

圖3為管道埋深0.8 m，運行壓力8.9 MPa，管徑323.9 mm，管壁14.2 mm等條件下，得到的沖擊載荷對管道壁面最大等效應力的影響規(guī)律.結(jié)果表明，坍塌巖石對埋地集輸管道應力影響較為明顯，隨著沖擊載荷的增大而增大；在管道運行壓力分別為6、8.9、11 MPa時，當沖擊載荷由1 MPa變到16 MPa時，管道壁面最大等效應力均可改變280 MPa左右；而在同一沖擊載荷作用條件下，不同運行壓力對管道壁面的最大等效應力影響較??；當沖擊載荷大于10.5 MPa時，管道進入塑性變形區(qū).

2.2.2腐蝕對集輸管道應力的影響

埋地集輸管道隨著運行時間的增加，管道內(nèi)外壁面會出現(xiàn)不同程度的腐蝕情況，當天然氣含硫化氫等酸性氣體時，腐蝕狀況更為顯著.圖4為腐蝕對管道壁面最大等效應力的影響規(guī)律.結(jié)果表明，同一沖擊載荷作用下，管道壁面最大等效應力隨著腐蝕程度的增大而增加.當腐蝕減薄從0變到20%時，在沖擊載荷為5.6 MPa條件下，管道壁面最大等效應力由299 MPa變到311 MPa，改變了12 MPa；在沖擊載荷為10.5 MPa條件下，管道壁面最大等效應力由363 MPa變到387 MPa，改變了24 MPa；在沖擊載荷為14 MPa條件下，管道壁面最大等效應力由422 MPa變到445 MPa，改變了23 MPa.由此可見，在相同的腐蝕減薄條件下，管道壁面最大等效應力的變化隨沖擊載荷的增大而增大；沖擊載荷5.6 MPa與沖擊載荷14 MPa相比，引起的管道壁面最大等效應力變化相差11 MPa.

2.2.3溫度、管內(nèi)運行壓力及山體坡度對集輸管道應力的影響

天然氣集輸管道不可避免的要經(jīng)過地質(zhì)地形復雜區(qū)域，因為運行中集輸管道管內(nèi)溫度并不是一成不變的，而是隨著埋地管道周圍環(huán)境和實際運行工況而變化的，并且設(shè)計資料表明某閥室的埋地集輸管道設(shè)計運行壓力為8.9 MPa，但是實際運行過程中，管道運行壓力并不是一個恒定的值.因此，針對埋地集輸管道應力規(guī)律研究，還需考慮溫度、管內(nèi)運行壓力及山體坡度的影響.

圖5為溫度對管道壁面最大等效應力的影響規(guī)律.結(jié)果表明，同一載荷條件下，管道壁面最大等效應力基本不隨管道運行溫度的改變而改變，即溫度對于埋地集輸管道影響作用較小.

圖6為管道運行壓力對管道壁面最大等效應力影響規(guī)律.結(jié)果表明，同一沖擊載荷條件下，管道壁面最大等效應力值隨著管內(nèi)壓力的增大而增加，在較低沖擊載荷條件下，管道壁面最大等效應力隨著管內(nèi)壓力的增加速率較大，隨著沖擊載荷的增大，管道壁面最大等效應力隨著管內(nèi)壓力的增加速率相應減?。辉跊_擊載荷大于5 MPa以后，管道壁面最大等效應力隨運行壓力的變化速率基本趨于穩(wěn)定.

圖7為山體坡度對管道壁面最大等效應力影響規(guī)律.結(jié)果表明，同一沖擊載荷條件下，不同坡度管道壁面最大等效應力基本相同，即山體坡度對管道壁面的最大等效應力值基本無影響.

圖7 坡度對管道壁面最大等效應力的影響Fig.7 Influence of slope on maximum equivalent stress of pipe wall

2.2.4管道規(guī)格對集輸管道應力的影響

某氣田現(xiàn)階段集輸管道管徑和管壁厚度主要有168.3×8.8、323.9×14.2、508×22.2三種類型，故需要考慮不同管道規(guī)格對于管道壁面應力的影響，管道規(guī)格采用管徑與壁厚之比代替，即徑厚比.圖8為徑厚比對管道壁面最大等效應力的影響規(guī)律.結(jié)果表明：當巖石坍塌沖擊載荷為10.5 MPa時，管道壁面最大等效應力隨著管道徑厚比的增加而減少，當徑厚比從168/8.8變到323.9/14.2時，管道壁面最大等效應力可減小28 MPa；當巖石坍塌沖擊載荷14 MPa時，管道壁面最大等效應力由387 MPa減少到343 MPa，減小了44 MPa.但當巖石坍塌沖擊載荷為5.6 MPa時，管道壁面最大等效應力在徑厚比為323.9/14.2處出現(xiàn)極小值，其值為272 MPa.徑厚比越大，沖擊載荷的大小對管道壁面最大等效應力的影響越小.依據(jù)上述結(jié)論，設(shè)計時為保證管道安全運行，應選擇較大規(guī)格管道，以減少管道運行風險.

圖8 管道規(guī)格對管道壁面最大等效應力的影響

3 結(jié)論

本文通過非線性有限元模擬方法，模擬分析了坍塌巖石大小與沖擊載荷的關(guān)系以及坍塌巖石沖擊載荷、溫度、運行壓力、管道規(guī)格等各種影響參數(shù)對埋地集輸管道最大等效應力的影響規(guī)律，得出結(jié)論如下：

1) 沖擊載荷隨石塊半徑或邊長的增加呈指數(shù)形式上升，正方體邊長改變1.4 m時，沖擊載荷可改變22.4 MPa；當巖石下落高度增加時，沖擊載荷變化速率迅速增加，但當石塊體積較小時，不同下落高度引起的沖擊載荷差異并不明顯.

2) 運行壓力、溫度、管道鋪設(shè)坡度對管道壁面應力影響較小，而沖擊載荷、腐蝕是埋地集輸管道安全的主要影響因素.當沖擊載荷大于10.5 MPa時，管道進入塑性變形區(qū).

3) 當腐蝕度由0變到2時，在三種不同的沖擊載荷條件下，管道壁面最大等效應力可由363 MPa增加到387 MPa，改變了24 MPa.在相同的腐蝕度變化條件下，管道壁面最大等效應力的變化隨沖擊載荷的增大而增大；沖擊載荷5.6 MPa與沖擊載荷14 MPa相比，引起的管道壁面最大等效應力變化相差11 MPa.

4) 徑厚比從168/8.8增加到323.9/14.2時，在巖石坍塌沖擊載荷大于等于10.5 MPa條件下，管道壁面最大等效應力隨著管道徑厚比的增加而減少，管道壁面最大等效應力可減小44 MPa；當巖石坍塌沖擊載荷較小時，管道壁面最大等效應力出現(xiàn)極小值點.因此，為保證管道安全運行，應選擇較大規(guī)格管道，以減少管道運行風險.