吳 昊， 馬貴陽(yáng)， 項(xiàng) 楠， 孫亞丹， 張孟昀， 張一楠

(遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

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固定托架對(duì)管道跨越結(jié)構(gòu)的安全性分析

吳 昊， 馬貴陽(yáng)， 項(xiàng) 楠， 孫亞丹， 張孟昀， 張一楠

(遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

沿河土體沉降對(duì)埋地管道跨越結(jié)構(gòu)的影響較為嚴(yán)重，若要有效防止跨越結(jié)構(gòu)的破壞，則需要采用有效的預(yù)防措施。建立管道跨越結(jié)構(gòu)與土壤相互作用的有限元力學(xué)模型，分析了采用固定托架結(jié)構(gòu)時(shí)管道跨越結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況。分析結(jié)果表明，當(dāng)跨越結(jié)構(gòu)受到土體沉降的影響時(shí)，固定托架可以有效地減小管道所受到的應(yīng)力；固定托架的安裝位置對(duì)降低管道跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響較為突出。研究結(jié)果可為管道跨越結(jié)構(gòu)的安全建設(shè)提供理論依據(jù)。

土體沉降； 固定托架； 管道應(yīng)力場(chǎng)； 跨越結(jié)構(gòu)； 數(shù)值模擬

隨著我國(guó)能源行業(yè)的迅速發(fā)展，石油與天然氣工業(yè)的建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，石油與天然氣的輸送與儲(chǔ)存成為首要解決的問(wèn)題。安全高效地保證石油與天然氣的運(yùn)輸是能源得到有效利用的前提，而在實(shí)際的施工建設(shè)中會(huì)遇到諸多問(wèn)題，如復(fù)雜的地形條件、多變的氣候條件等，這些問(wèn)題對(duì)長(zhǎng)距離埋地管道的施工建設(shè)會(huì)造成巨大的影響[1-3]。尤其是，對(duì)地質(zhì)條件及其不穩(wěn)定的區(qū)域，埋地管道所受到的影響更大，如存在斷層、滑坡以及跨越河流湖泊等區(qū)域，這些區(qū)域地質(zhì)條件的變化給管道的應(yīng)力場(chǎng)帶來(lái)巨大的影響。在這些地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，管道的施工建設(shè)往往采用特殊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，最常見(jiàn)的就是埋地管道跨越結(jié)構(gòu)[4]。基于埋地管道跨越結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)形式的特殊性，在長(zhǎng)距離管道輸送過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛，跨越結(jié)構(gòu)可以很好地緩解管道壓力，應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的地形條件，確保管線的安全運(yùn)行與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，且能夠應(yīng)對(duì)諸多特殊地質(zhì)條件的變化[5]。但是，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，當(dāng)埋地管道受到因外界地質(zhì)條件變化而產(chǎn)生的影響時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)的變化較為劇烈，因此，跨越結(jié)構(gòu)往往也是長(zhǎng)距離管道中較為薄弱的區(qū)域。對(duì)于跨越河流的埋地管道，由于地下水位隨著季節(jié)發(fā)生周期性變化，在特殊條件下，沿河地下水位會(huì)發(fā)生急劇的改變，尤其是在地面土體沉降多發(fā)的雨季，當(dāng)河流水位大幅度漲或降時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沿河土體的地質(zhì)條件發(fā)生改變，在一定條件下甚至?xí)鹧睾油馏w的沉降[6]。

近些年，我國(guó)學(xué)者對(duì)埋地管道跨越結(jié)構(gòu)進(jìn)行的研究較少，特別是對(duì)受到土體沉降等自然災(zāi)害影響的情況進(jìn)行的研究更少。張一楠等[7-9]對(duì)管道跨越結(jié)構(gòu)建立有限元力學(xué)模型，研究了當(dāng)沿河土體沉降時(shí)跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，并分析了不同管道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律的影響。此外，對(duì)土體沉降發(fā)生的位置給管道跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)帶來(lái)的影響進(jìn)行了較為細(xì)致的研究。雖然對(duì)承受土體沉降時(shí)的管道跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的分析較為全面，但是未能提出較為具體的安全防護(hù)措施和有效的解決辦法。為了避免事故的發(fā)生，有必要提出一種較為安全、合理的措施，有效地降低埋地管道跨越結(jié)構(gòu)在承受土體沉降時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力[10]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)承受沿河土體沉降的管道跨越結(jié)構(gòu)，固定托架的安裝可以有效地降低管道產(chǎn)生的應(yīng)力，減小應(yīng)力集中的區(qū)域，可確保管道的安全運(yùn)行。研究結(jié)果可為長(zhǎng)距離輸油管道的施工建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 計(jì)算物理模型

本文研究沿河土體的沉降給管道跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力帶來(lái)的影響，常規(guī)管道跨越結(jié)構(gòu)及采用固定托架的管道跨越結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1中，虛線框內(nèi)部分為本文的研究區(qū)域；L為發(fā)生沉降的土體長(zhǎng)度，m；A為跨越結(jié)構(gòu)水平管段的左端點(diǎn)。

(a) 常規(guī)管道

(b) 采用固定托架的管道圖1 常規(guī)管道跨越結(jié)構(gòu)及采用固定托架 的管道跨越結(jié)構(gòu)示意圖

土體沿河岸發(fā)生沉降時(shí)埋地管道的形狀變化示意圖如圖2所示。

圖2 土體沿河岸發(fā)生沉降時(shí)埋地管道的形狀變化示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 應(yīng)力場(chǎng)模型 在埋地管道上任取一個(gè)微元體dx，假設(shè)作用在埋地管道上的載荷為均勻載荷q(單位：N)，則所取微元體的受力分析示意圖如圖3所示[11]。

圖3 管道微元體受力分析示意圖

圖3中，M為管道彎矩，N·m；Q為管道所受的徑向力，N；q(x)、p(x)為土體載荷，N。

因?yàn)槲⒃w保持平衡狀態(tài)，因此在徑向所受到的合力為0，即：

(1)

式中，K為沉降區(qū)域土體地基抗壓剛度系數(shù)；Δ為地基的塌陷位移，m。

對(duì)式(1)兩邊除以dx，式(1)可轉(zhuǎn)化為：

(2)

(3)

式中，I為計(jì)算管道的界面慣性矩，mm4；E為計(jì)算管道的彈性模量，MPa。

1.2.2 土體載荷模型 管道整體受力示意圖及土體微元應(yīng)力示意圖如圖4所示[12]。

(a) 管道整體受力

(b) 土體微元應(yīng)力圖4 管道整體受力示意圖及土體微元應(yīng)力示意圖

建立埋地管道徑向方向上任意位置的微元力平衡方程，便可求出任意位置的徑向土體載荷，進(jìn)而求出埋地管道單位長(zhǎng)度所承受的最大徑向土體載荷，具體的計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中，W為單位管長(zhǎng)上徑向的土體載荷，kN/m；γso為回填土的容重，取15～22 kN/m3；B為埋地管道管頂處的管溝寬度，m；Cd為土體載荷系數(shù)；c為回填土的黏聚力，kPa；H為埋地管道管頂與土體表面的距離，m；φ為土壤內(nèi)摩擦角，(°)；kp為被動(dòng)側(cè)向單位面積土壓力pp與豎向單位面積土壓力pz之比；μ為回填土和溝壁的摩擦系數(shù)，μ≈tanφ。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)參數(shù)，選用管道材料為X80鋼，模擬的埋地管道外徑為700 mm，管道壁厚為20 mm，管道的泊松比為0.30，管道的彈性模量為2.3×105MPa；地表距管道中心深度為2.5 m，管道內(nèi)壓設(shè)為7.5 MPa；假設(shè)土體為彈性體，土體的彈性模量為30.0 MPa，土壤重力為25 100 N/m，沉降土體泊松比為0.25。

管道跨越結(jié)構(gòu)在未受到土體沉降時(shí)的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。

圖5 管道跨越結(jié)構(gòu)在未受到土體沉降時(shí)的應(yīng)力分布云圖

從圖5可以看出，水平管段和斜管段的應(yīng)力分布較為均勻，均未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；彎管處為主要的應(yīng)力集中點(diǎn)。

常規(guī)管道及采用固定托架的管道跨越結(jié)構(gòu)受到土體沉降影響時(shí)的應(yīng)力分布云圖如圖6所示。圖6中，固定托架距離跨越結(jié)構(gòu)架空端的距離為2.0 m。

(a) 常規(guī)管道

(b) 采用固定托架的管道圖6 常規(guī)管道及采用固定托架的管道跨越結(jié)構(gòu) 受到土體沉降影響時(shí)的應(yīng)力分布云圖

從圖6(a)可以看出，對(duì)于常規(guī)管道跨越結(jié)構(gòu)，當(dāng)埋地水平管段的上方土體發(fā)生沉降時(shí)，沉降區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且，跨越結(jié)構(gòu)的彎管處是主要的應(yīng)力集中區(qū)域。

對(duì)比圖6(a)與圖6(b)可以看出，兩種情況的管道應(yīng)力分布趨勢(shì)大體相同，但應(yīng)力的集中程度和集中范圍有一定的區(qū)別，采用固定托架的管道跨越結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)域較小。分析管道的應(yīng)力可知，在相同的應(yīng)力集中區(qū)域，常規(guī)管道跨越結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力較大，且應(yīng)力集中區(qū)域的面積相比于采用固定托架的管道跨越結(jié)構(gòu)大。

改變固定托架位置，將固定托架距A點(diǎn)的距離由2.0 m減小到1.0 m，進(jìn)一步研究固定托架的位置對(duì)管道跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的影響。改變固定托架位置后管道跨越結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖如圖7所示。從圖7可以看出，當(dāng)土體發(fā)生沉降時(shí)，固定托架可以有效地抵消沉降土體對(duì)管道產(chǎn)生的徑向應(yīng)力，從而使管道表面的應(yīng)力集中區(qū)域減?。划?dāng)減小固定托架與管道跨越結(jié)構(gòu)A點(diǎn)的距離后，固定托架對(duì)降低管道應(yīng)力的效果更加明顯，且應(yīng)力集中的區(qū)域也進(jìn)一步減小。固定托架與跨越結(jié)構(gòu)A點(diǎn)的距離對(duì)整體應(yīng)力場(chǎng)的影響有待后續(xù)的進(jìn)一步研究。

圖7 改變固定托架位置后管道跨越結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)沿河土體發(fā)生沉降時(shí)，埋地管道跨越結(jié)構(gòu)兩端彎管處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，且土體沉降中心區(qū)域的應(yīng)力較大，在這些區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)當(dāng)沿河土體發(fā)生沉降時(shí)，采用固定托架的管道跨越結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力較小，固定托架可以有效地降低管道跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)當(dāng)受到土體沉降影響時(shí)，隨著固定托架位置與管道跨越結(jié)構(gòu)之間距離的減小，固定托架對(duì)降低跨越結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力的效果越來(lái)越明顯。

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(編輯 宋錦玉)

Safety Analysis of Pipeline Crossing Structure with the Fixed Bracket

Wu Hao， Ma Guiyang， Xiang Nan， Sun Yadan， Zhang Mengyun， Zhang Yinan

(CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China)

Pipeline crossing structure was very easy to be affected by the settlement of soil along the river, and effective preventive measures should be adopted to effectively prevent the damage to the crossing structure. The finite element model of pipeline crossing structure and soil interaction was established, and the stress change of pipeline span structure with the fixed bracket was established. It was found that the fixed bracket could effectively reduce the stress value of the pipeline when the span structure was affected by the settlement of soil mass, and the installation position of the fixing bracket was more prominent to reduce the stress value of the pipeline span structure. The results could provide a theoretical basis for the safety construction of pipeline crossing structure.

Earth's settlement； Fixed bracket； Stress field of pipeline； Crossing structure； Numerical simulation

1672-6952(2017)04-0015-04

2016-09-06

2016-10-20

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LR2013016)。

吳昊(1989-)，男，碩士研究生，從事埋地管道的應(yīng)力研究；E-mail：849721562@qq.com。

馬貴陽(yáng)(1965-)，男，博士，教授，從事計(jì)算流體力學(xué)及多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的研究；E-mail：guiyangma1@163.com。

TE832；X936

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.04.004

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn