王志勇，張曉華，智秉瑞

（山西國化能源有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

引言

隨著油氣消耗需求的增加，快速增長的地下管網(wǎng)將不可避免地面臨惡劣的環(huán)境，特別是具有巖土工程問題的穿越區(qū)域的路線。其中，引起地面沉降的原因包括但不限于地面超載、土壤液化、隧道施工、凍土融化、地下開采、塌方等，是一種非常復(fù)雜而常見的地質(zhì)現(xiàn)象。當(dāng)煤礦采空區(qū)地面沉降直接作用在管道上時(shí)，地層變形引起的地面移動(dòng)和塌陷使管道承受拉、壓、彎、剪等荷載。因此，管道中可能發(fā)生塑性變形，進(jìn)而造成管道開裂、介質(zhì)泄漏、爆炸等嚴(yán)重后果。當(dāng)這些應(yīng)力和應(yīng)變超過管道材料的極限要求時(shí)，可能導(dǎo)致管道失效。此時(shí)的破壞模式主要有開裂和屈曲。因此，在管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中都需要進(jìn)行評(píng)價(jià)，以避免過度的基礎(chǔ)沉降活動(dòng)影響管道安全[1-5]。

本文提出了一種評(píng)價(jià)整個(gè)管道安全的新方法，即通過對(duì)煤礦采空區(qū)缺陷管道與地面沉降耦合作用下最危險(xiǎn)段的極限安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在討論了內(nèi)壓、沉降位移、腐蝕深度參數(shù)等參數(shù)的影響。同時(shí)，不同牌號(hào)的管線鋼的強(qiáng)度和韌性也存在差異。為了進(jìn)行對(duì)比，我們在低品位X65 鋼制成的管道上進(jìn)行了建模。

1 數(shù)值模擬

本文建立了考慮煤礦采空區(qū)地表沉降與埋地管道局部腐蝕缺陷耦合效應(yīng)的非線性三維管土耦合力學(xué)模型，如圖1 所示。利用該模型研究了X80 管線鋼在地面沉降作用下腐蝕缺陷的力學(xué)分布和破壞特征。該模型具有軸對(duì)稱特性，為提高計(jì)算效率，采用半對(duì)稱模型。模型沉降區(qū)長度為l0，非沉降區(qū)長度為L-l0。地面沉降區(qū)如圖1-1 中紅色虛線區(qū)域所示。對(duì)模型進(jìn)行收斂分析，優(yōu)化模型尺寸L×W×H=50 m×20 m×12 m。管道外徑為914 mm，壁厚為13 mm。存在腐蝕缺陷的管道截面，如圖1-3 所示。根據(jù)前面的分析，采用解析場法進(jìn)行腐蝕缺陷面積建模的結(jié)果，如圖1-4所示。

圖1 地基沉降作用下腐蝕管道的管土耦合模型

選取泥質(zhì)粉質(zhì)黏土作為土料，通過選取摩擦角和黏聚力，采用Drucker-Prager 本構(gòu)模型來反映土的抗剪強(qiáng)度。通過設(shè)置黏聚力來調(diào)節(jié)屈服面變化。它能很好地反映巖土拉壓不均勻的特性，廣泛應(yīng)用于壓力敏感土中。泥質(zhì)粉質(zhì)黏土密度為1 840 kg/m3，楊氏模量為2 500 kPa，泊松比為0.35，摩擦角為30°，流動(dòng)應(yīng)力比為1，黏聚力為29.3 kPa。設(shè)回填土與地層土一致，管道埋深為1 m。

2 結(jié)果和討論

首先確定分析的路徑。隨后，通過參數(shù)研究，探討了具有腐蝕缺陷的煤礦采空區(qū)的壓力管道在地面沉降作用下的力學(xué)行為和破壞特征。

2.1 路徑選擇

先用有限元法來揭示無缺陷埋地管道的應(yīng)變狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)部壓力3 MPa 和沉降區(qū)長度是20 m，軸向應(yīng)變分布在頂部和底部的X80 管道在不同沉降位移，軸向應(yīng)變的增加而沉降位移的增加，和結(jié)算中心達(dá)到最大。管道頂部和底部的軸向應(yīng)變分布完全相反，管道頂部的最大軸向壓縮應(yīng)變數(shù)值大于管道底部的最大軸向拉伸應(yīng)變。

2.2 內(nèi)部壓力的影響

最大軸向應(yīng)變在X80 鋼的腐蝕缺陷管道在不同內(nèi)部壓力下（IP）的沉降位移的缺失和存在（SD）是圖2 所示（一個(gè)）?？梢钥闯?，軸向應(yīng)變的增加而增加的IP SD 的缺失。而SD 的存在則大大增加了管道的局部軸向應(yīng)變。當(dāng)IP＜4 MPa 時(shí)，SD 占主導(dǎo)地位，隨著IP 的增大，管道的抗變形能力增大，軸向應(yīng)變隨IP 的增大而減小。反之，IP 占主導(dǎo)地位，軸向應(yīng)變隨IP 的增大而增大。當(dāng)IP 大于7.1 MPa 時(shí)，軸向應(yīng)變超過極限壓縮應(yīng)變，導(dǎo)致管道發(fā)生屈曲破壞。

因此，SD 降低了導(dǎo)致管道腐蝕缺陷處局部屈曲失效的閾值IP。X80 管道在不同IP 下的整體軸向應(yīng)變分布基本相同，如圖2-2 所示，腐蝕缺陷區(qū)域存在軸向應(yīng)變極值。當(dāng)IP 大于7 MPa 時(shí)，采空區(qū)腐蝕區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)拉伸和壓縮軸向應(yīng)變，最大軸向應(yīng)變位于缺陷的對(duì)稱中心。缺陷區(qū)域外存在明顯的沉降區(qū)（軸向壓縮應(yīng)變）、過渡區(qū)（軸向拉伸應(yīng)變）和遠(yuǎn)端（應(yīng)變?yōu)?），因此，管道腐蝕缺陷區(qū)域在地面沉降作用下最容易發(fā)生屈曲破壞。圖2-3 為不同IP 下X80 管道腐蝕缺陷周圍軸向應(yīng)變分布，地表沉降情況。需要指出的是，腐蝕面積是殼單元渲染的結(jié)果?？梢钥闯觯瑧?yīng)變集中出現(xiàn)在腐蝕缺陷區(qū)域。隨著IP 值的增加，軸向應(yīng)變沿腐蝕缺陷的長度和寬度擴(kuò)展，高應(yīng)變區(qū)和低應(yīng)變區(qū)變得更加明顯。最大軸向應(yīng)變位于腐蝕缺陷的對(duì)稱中心。

圖2 不同內(nèi)壓下X80 管道軸向應(yīng)變

2.3 沉降位移的影響

不同地面沉降位移下，X65 和X80 鋼管管道腐蝕缺陷處的最大軸向應(yīng)變?nèi)鐖D3-1 所示。從圖中可以看出，隨著煤礦采空區(qū)地面沉降的增大，兩種鋼質(zhì)管道的軸向應(yīng)變均增大，X65 管道的軸向應(yīng)變大于X80 管道。當(dāng)SD 約為X65 管徑的30%時(shí)，首先發(fā)生屈曲破壞，而X80 管仍在安全范圍內(nèi)。因此，具有腐蝕缺陷的劣質(zhì)管道在煤礦采空區(qū)地面沉降下更容易發(fā)生破壞。圖3-2 為X80 管道在不同地面沉降位移下的整體軸向應(yīng)變分布。從局部放大圖可以看出，腐蝕區(qū)域以軸向壓縮應(yīng)變?yōu)橹?，且隨著SD 的增大而增大。最大應(yīng)變位于腐蝕缺陷的對(duì)稱中心。在煤礦采空區(qū)沉降區(qū)和過渡區(qū)，軸向應(yīng)變隨著SD 的增大而更加明顯，而遠(yuǎn)端軸向應(yīng)變?yōu)?。從圖3-3 可以看出，隨著SD 的增大，X80 管道腐蝕缺陷處軸向應(yīng)變顯著增大，且應(yīng)變分布具有明顯的對(duì)稱性。軸向應(yīng)變沿腐蝕區(qū)長度和寬度方向增大，最大軸向應(yīng)變發(fā)生在腐蝕缺陷的基底上，靠近截面對(duì)稱中心處。

圖3 不同地面沉降位移下管道軸向應(yīng)變

3 結(jié)論

提出了煤礦采空區(qū)地表沉降與管道局部腐蝕缺陷耦合作用下埋地管道非線性力學(xué)分析與安全評(píng)價(jià)的詳細(xì)研究框架。管道頂部和底部的軸向應(yīng)變分布完全相反，管道頂部的最大軸向壓縮應(yīng)變數(shù)值大于管道底部的最大軸向拉伸應(yīng)變。最危險(xiǎn)的位置是管道頂部的對(duì)稱平面，可能的破壞模式是屈曲破壞。采空區(qū)沉降位移的存在降低了引起管道屈曲破壞的起始?jí)毫?。腐蝕缺陷導(dǎo)致管道局部應(yīng)力應(yīng)變集中，降低管道承載能力。腐蝕缺陷周圍的局部應(yīng)變在沉降作用下重新分布和發(fā)展。管道最大軸向應(yīng)變隨內(nèi)壓、腐蝕深度、沉降位移的增加而增大，隨腐蝕缺陷長度的增加而減小。