刘小晖 罗士棣 张洋 

中石油西南管道公司兰州输油气分公司 

摘要：通过统计分析管道地质灾害调查资料，建立管道暗悬受力模型，合理选取模型参数，计算得到在强度和挠度条件下暗悬管道的极限跨度，为管道的应急抢险和安全运营提供依据。

关键词：黄土湿陷；暗悬；极限跨度；安全跨度 

通过对某在役管道2014、2015年汛期调查，查明发生地质灾害191处，其中河沟道水毁40处，坡面水毁28处，阀室问题6处，黄土湿陷111处，滑坡6处，分别占21%、15%、3%、58%和3%，判定黄土湿陷是该段管道所遭受的主要地质灾害。其机理作用是，管道埋置于地表黄土地层1.5 m左右，在农田灌溉、雨水冲刷等作用下，黄土极易发生湿陷，引发管道基础不均匀沉降，严重时，会使管沟土体流失，导致管道外露或暗悬。当管道自身承载力不足时，管道会发生较大变形弯曲或者弯折破裂，造成管道无法正常使用。

1 研究目的

（1）确定管道暗悬的极限跨度

根据管道在运营中的使用条件，研究管道在管底土体沉陷、冲毁等支撑条件改变后，满足安全运营需要的极限暗悬长度（极限跨度），并能准确快速的计算出来。

（2）确定管道的安全跨度

结合管道受力特点，针对管道可能的暗悬，确定其安全跨度，设置刚性支墩。

2、管道暗悬受力模型

2.1 建模思路及参数

   2.1.1 建模思路

   根据《油气输送管道跨越工程设计规范》（GB 50459-2009）5.1.3之规定，从暗悬管道的约束条件、管道本体材质、输送介质的参数等情况，分析管道结构的受力状态，确定地下管道在工作状态下的应力分布规律，实际状况下管道暗悬段两端为固定端约束，忽略活荷载等因素的影响，将管道简化为简支梁进行计算。分别通过强度和挠度条件计算暗悬管道在均布荷载作用下的极限跨度。

   2.1.2模型参数

（1）管径：管道干线管径为F 508 mm；

（2）壁厚：该处取管道的平均厚度，即9.9 mm；

（3）黄土性质：参考《工程地质手册》（第四版）中表5-1-9“我国西部四个城市湿陷性黄土的性质指标”中兰州市的取值，覆土为黄土，密度ρ₁=1.33 t/m³；

（4）管道工作压力： 2016年4月8日14时17分，调度室的瞬时压力为9.29 MPa；

（5）输送介质密度：柴油密度0.81—0.84 t/m³；汽油密度0.73—0.74 t/m³；原油密度0.84—0.86 t/m³，油品密度按最不利情况选取ρ₂=0.85 t/m³。

（6）管道材质：管道材料为X60（L415），钢管容重：ρ₃=7.85 t/m³；钢材弹性模量：E=206×10³ N/mm²；钢材线性膨胀系数α=12×10^-6（1/℃）；X60（L415）的屈服强度为415 MPa。

  2.2管道外力荷载

（1）管道周围土压力

土中应力包含土中自重应力和附加应力，土的自重应力是由土的自重产生，附加应力为作用在土层顶部表面的活荷载所产生（作用力较小，文中忽略不计）。对于地下2 m处管道，管顶土体自重应力按土体竖直方向施加于管道上半部分外表面的应力计算，管道上部土压力q₁=ρ₁·H·D·g。

（2）管道自重

管道自重根据管道材料的容重和体积计算，q₂=π·(D²-d²)/4·ρ₃·g。

（3）管道内油品重

管道油品的重量根据管道内部体积和输送油品的密度计算， q₃=π·d²/4·ρ₂·g。

  2.3 管道内力条件

根据《油气输送管道跨越工程设计规范》（GB 50459-2009）“6.2 管道强度及稳定性计算”。

（1）管道输送介质内压引起的环向应力

α_h—管道输送介质内压引起的环向应力；d—管道内径；δ—管道壁厚；P—管道输送介质内压。

（2）管道输送介质内压引起的轴向应力

（3）管道的温度变化引起的轴向应力

  σ_at—温度变化引起的轴向应力；α—钢管线性膨胀系数；E—钢材弹性模量；Δt—温差。

 

  3 管道暗悬跨度的确定

  3.1模型条件

（1）分析模型

假设管道在运营过程中由于支撑土体的改变而出现了暗悬，暗悬仅出现在一个位置，如图1。此时管道可看作是两侧无限弹性支承、而中间悬空的单跨结构。

图1   管道暗悬示意

 

根据上述建模方式建立中间具有悬空长度L的计算模型，施加工作压力、土压力、管道自重和油自重等外部荷载，计算悬空长度L下管道的应力，计算模型如图2所示。

 

图2   管道暗悬分析模型

（2）判别条件

为了确定管道暗悬的极限跨度，结合管道材料、相关规范的计算结果，建立影响安全使用的判别条件。

①强度条件。管道在正常运行状况下为空间受力状态，衡量其强度状态的指标是管道的屈服强度。结合《油气输送管道跨越工程设计规范》（GB 50459-2009）中6.2.5规定，强度验算应满足：

F——强度设计系数；σ_s——钢管的屈服强度。②挠度条件。根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中3.5.1规定：

其中f为最大竖向变形，L为悬空长度。

在均布荷载作用下，根据管道自身材料特性，并结合强度和挠度判别标准，分别可得管道在强度和挠度条件下的悬空长度，为确保管道安全，取较小值作为管道暗悬的极限跨度。

  3.2 模型计算及分析

  3.2.1  以强度条件为准

（1）外力计算

本计算以某段管道为例，管径为508 mm，壁厚9.9 mm，压力9.29 MPa，材质X60（下同）。

竖向土压力：

q₁=ρ₁·H·D·g=1.33×2×0.508×0.98=13.24 kN/m

管道自重：

q₂=π·(D²-d²)/4·ρ₃·g=3.14×(0.508²-（0.508-0.0099×2）²）/4×7.85×9.8=1.19 kN/m

管道内油体自重：

q₃=π·d²/4·ρ₂·g=3.14×（0.508-0.0099×2）²/4×0.85×9.8=1.56 kN/m

（2）内力计算

管道输送介质内压引起的环向应力：

管道输送介质内压引起的轴向应力：

管道的温度变化引起的轴向应力：

管道容许应力：

（其中F—强度设计系数，达到100%屈服强度，即设计系数取1.0；σ_s—钢管的屈服强度。）

管道最大当量应力：

由荷载效应组合引起的最大弯曲应力：

（3）管道最大悬空跨度

管道净截面抵抗矩：

 

由荷载效应引起的管道最大弯矩（《油气输送管道跨越工程设计规范》（GB 50459-2009）中6.2.2-2）：

简支梁在均布荷载作用下弯矩公式：

 

管道最大悬空长度：

 

3.2.2  以挠度条件为准

管道截面惯性矩：

 

简支梁在均布荷载作用下跨中挠度公式：

 

管道在满足状况下的最大悬空长度：

对比管道在强度条件和挠度条件下得出的管道最大悬空长度可知，该管道暗悬的极限跨度14.69 m。

根据《油气输送管道跨越工程设计规范》（GB 50459-2009）中3.1.3规定，本文暗悬为输油管道小型乙类跨越，设计系数取0.65。所以，该管道的安全跨度为9.54 m。

4、结论及建议

（1）该管道的极限跨度为14.69 m，在确保暗悬不影响管道正常运营情况下，建议设置刚性支墩的安全跨度为9.54 m。

（2）加强地基的夯填、增强地基的整体刚度等，减少地基不均匀下沉。

 

作者：刘小晖，1986年生，安徽阜阳人，工程师，研究方向为地质环境保护。

《管道保护》2017年第5期（总第36期）