吳 昊， 馬貴陽， 項 楠， 孫亞丹， 張孟昀， 張一楠

(遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001)

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固定托架對管道跨越結構的安全性分析

吳 昊， 馬貴陽， 項 楠， 孫亞丹， 張孟昀， 張一楠

(遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001)

沿河土體沉降對埋地管道跨越結構的影響較為嚴重，若要有效防止跨越結構的破壞，則需要采用有效的預防措施。建立管道跨越結構與土壤相互作用的有限元力學模型，分析了采用固定托架結構時管道跨越結構的應力變化情況。分析結果表明，當跨越結構受到土體沉降的影響時，固定托架可以有效地減小管道所受到的應力；固定托架的安裝位置對降低管道跨越結構應力的影響較為突出。研究結果可為管道跨越結構的安全建設提供理論依據(jù)。

土體沉降； 固定托架； 管道應力場； 跨越結構； 數(shù)值模擬

隨著我國能源行業(yè)的迅速發(fā)展，石油與天然氣工業(yè)的建設規(guī)模逐漸擴大，石油與天然氣的輸送與儲存成為首要解決的問題。安全高效地保證石油與天然氣的運輸是能源得到有效利用的前提，而在實際的施工建設中會遇到諸多問題，如復雜的地形條件、多變的氣候條件等，這些問題對長距離埋地管道的施工建設會造成巨大的影響[1-3]。尤其是，對地質條件及其不穩(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)域地質條件的變化給管道的應力場帶來巨大的影響。在這些地質條件復雜的區(qū)域，管道的施工建設往往采用特殊的結構進行處理，最常見的就是埋地管道跨越結構[4]?；诼竦毓艿揽缭浇Y構形狀和結構形式的特殊性，在長距離管道輸送過程中應用較為廣泛，跨越結構可以很好地緩解管道壓力，應對復雜多變的地形條件，確保管線的安全運行與結構的穩(wěn)定，且能夠應對諸多特殊地質條件的變化[5]。但是，由于其結構的特殊性，當埋地管道受到因外界地質條件變化而產生的影響時，應力場的變化較為劇烈，因此，跨越結構往往也是長距離管道中較為薄弱的區(qū)域。對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，當河流水位大幅度漲或降時，會導致沿河土體的地質條件發(fā)生改變，在一定條件下甚至會引起沿河土體的沉降[6]。

近些年，我國學者對埋地管道跨越結構進行的研究較少，特別是對受到土體沉降等自然災害影響的情況進行的研究更少。張一楠等[7-9]對管道跨越結構建立有限元力學模型，研究了當沿河土體沉降時跨越結構應力場的變化規(guī)律，并分析了不同管道結構參數(shù)對應力場變化規(guī)律的影響。此外，對土體沉降發(fā)生的位置給管道跨越結構應力場帶來的影響進行了較為細致的研究。雖然對承受土體沉降時的管道跨越結構應力場的分析較為全面，但是未能提出較為具體的安全防護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構在承受土體沉降時產生的應力[10]。通過研究發(fā)現(xiàn)，對承受沿河土體沉降的管道跨越結構，固定托架的安裝可以有效地降低管道產生的應力，減小應力集中的區(qū)域，可確保管道的安全運行。研究結果可為長距離輸油管道的施工建設提供理論依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 計算物理模型

本文研究沿河土體的沉降給管道跨越結構應力帶來的影響，常規(guī)管道跨越結構及采用固定托架的管道跨越結構示意圖如圖1所示。圖1中，虛線框內部分為本文的研究區(qū)域；L為發(fā)生沉降的土體長度，m；A為跨越結構水平管段的左端點。

(a) 常規(guī)管道

(b) 采用固定托架的管道圖1 常規(guī)管道跨越結構及采用固定托架 的管道跨越結構示意圖

土體沿河岸發(fā)生沉降時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)生沉降時埋地管道的形狀變化示意圖

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 應力場模型 在埋地管道上任取一個微元體dx，假設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。

因為微元體保持平衡狀態(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。

對式(1)兩邊除以dx，式(1)可轉化為：

(2)

(3)

式中，I為計算管道的界面慣性矩，mm4；E為計算管道的彈性模量，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力示意圖如圖4所示[12]。

(a) 管道整體受力

(b) 土體微元應力圖4 管道整體受力示意圖及土體微元應力示意圖

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，進而求出埋地管道單位長度所承受的最大徑向土體載荷，具體的計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中，W為單位管長上徑向的土體載荷，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為土壤內摩擦角，(°)；kp為被動側向單位面積土壓力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)值模擬及結果分析

根據(jù)實際的工程設計參數(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，管道內壓設為7.5 MPa；假設土體為彈性體，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。

管道跨越結構在未受到土體沉降時的應力分布云圖如圖5所示。

圖5 管道跨越結構在未受到土體沉降時的應力分布云圖

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

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

從圖6(a)可以看出，對于常規(guī)管道跨越結構，當埋地水平管段的上方土體發(fā)生沉降時，沉降區(qū)域發(fā)生應力集中現(xiàn)象，并且，跨越結構的彎管處是主要的應力集中區(qū)域。

對比圖6(a)與圖6(b)可以看出，兩種情況的管道應力分布趨勢大體相同，但應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構所產生的應力集中區(qū)域較小。分析管道的應力可知，在相同的應力集中區(qū)域，常規(guī)管道跨越結構所產生的應力較大，且應力集中區(qū)域的面積相比于采用固定托架的管道跨越結構大。

改變固定托架位置，將固定托架距A點的距離由2.0 m減小到1.0 m，進一步研究固定托架的位置對管道跨越結構應力場的影響。改變固定托架位置后管道跨越結構的應力分布云圖如圖7所示。從圖7可以看出，當土體發(fā)生沉降時，固定托架可以有效地抵消沉降土體對管道產生的徑向應力，從而使管道表面的應力集中區(qū)域減小；當減小固定托架與管道跨越結構A點的距離后，固定托架對降低管道應力的效果更加明顯，且應力集中的區(qū)域也進一步減小。固定托架與跨越結構A點的距離對整體應力場的影響有待后續(xù)的進一步研究。

圖7 改變固定托架位置后管道跨越結構的應力分布云圖

3 結 論

(1)當沿河土體發(fā)生沉降時，埋地管道跨越結構兩端彎管處產生較大的應力，且土體沉降中心區(qū)域的應力較大，在這些區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

(2)當沿河土體發(fā)生沉降時，采用固定托架的管道跨越結構所產生的應力較小，固定托架可以有效地降低管道跨越結構應力集中現(xiàn)象。

(3)當受到土體沉降影響時，隨著固定托架位置與管道跨越結構之間距離的減小，固定托架對降低跨越結構產生應力的效果越來越明顯。

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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

遼寧省高等學校優(yōu)秀人才支持計劃項目(LR2013016)。

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

馬貴陽(1965-)，男，博士，教授，從事計算流體力學及多孔介質傳熱傳質的研究；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