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管道研究

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地表堆载区埋地管道力学行为研究

来源:《管道保护》杂志 作者:张杰 张瀚 梁政 时间:2018-7-6 阅读:

张杰  张瀚  梁政

西南石油大学机电工程学院

摘 要:地面局部堆载易造成埋地油气管道出现截面椭圆化、局部破裂、防腐层脱落等,从而导致管道过早失效。为了揭示地面堆载区埋地管道失效机理,建立了管土耦合数值计算模型,对地表载荷下埋地管道的应力、应变、椭圆度等进行了研究,探讨了载荷参数、管道参数、围土参数对管道力学行为的影响规律。结果发现地表堆载作用下的无压管道比压力管道更容易发生失效;对易发生堆载段,增加管道壁厚和埋深可增强其抗变形能力;地表堆载范围和重量越大管道越易发生失效;埋地管道截面椭圆度随围土弹性模量、泊松比、黏聚力的增大而减小。

关键词:埋地管道;地面堆载;力学行为;失效分析

在管道周边施工作业中,经常出现地面堆载、超载情况,甚至出现许多违章建筑物,从而导致软土地基产生变形挤压地下管道,使其发生不均匀沉降、变形等,最后引发安全事故[1]。特别在长江三角洲和沿海地区等广泛分布有海相或湖相沉积软土,其承载能力低、孔隙比大、压缩性高、灵敏度高、易扰动[2]。因而,当地面出现堆载情况时,地表局部沉降量大,持续时间长,将对埋地管道造成极大危害。

地表堆载对管道的主要破坏形式为[3]:出现管道“盲段”,使常规的检测和维护较为困难;管道截面变形,降低了清管器的通过性,易造成管道堵塞;管道出现沉降变形,导致管道破裂、油气泄漏;易破坏管道防腐层,加速管道腐蚀。

1 堆载区管道静力分析

如图1所示,在地表载荷作用下,沟埋管道所受垂直土压力可分为两部分[4]:①由回填土自重产生的随埋深增加而增加的管顶土压力;②由地表载荷使回填土发生相对位移而施加到管道上的附加载荷,随埋深的增加而减小。

图1  地表堆载区埋地管道示意图

目前关于管顶垂直土压力的计算模型较多,如基于极限平衡理论的土柱滑动面模型和经验集中系数模型等,但二者都是基于Marston土压力模型。对于沟埋式管道,假定管沟内任一深度平面上回填土的竖向压力均匀分布,且管顶承担全部土压力,则管顶竖向土压力为:

式中,We 为单位长度管顶土压力;Kg 为管顶竖向土压力集中系数;K为水平土压力系数;f 为管土摩擦因数;ρs 为围土密度;D为管道外径;H为管顶回填土厚度。

埋地管道除了承受土体自重载荷外,还将承受各种地表载荷,它们通过围土传递给管道。常用的附加载荷计算方法有Boussinesq法和扩散角法。已有研究表明,深层土体适宜采用Boussinesq法,而扩散角法仅适用于浅层土体。《输油管道工程设计规范》和《输气管道工程设计规范》都采用Spangler-Iowa方法校核外载作用下的管道截面径向变形。

Spangler-Iowa方法管道示意如图 2所示,作用于管顶的垂直载荷按均布载荷考虑,其分布宽度与管道外径相同。管底承受地基垂直反力,均匀作用于圆心角2γ,管侧承受土壤弹性抗力,其强度为二次抛物线规律分布,作用范围对应圆心角β,最大抗力qh位于水平直径的两端。

式中,Δ为管道水平径向最大变形;J为管道变形滞后系数,宜取1.5;K为管道基座系数;R为管道半径;E为管道弹性模量;I为单位长度管壁截面惯性矩;E′为地基系数。

图2   Spangler-Iowa方法管道承载示意图

2  堆载区管道数值模型

如图1所示,假设地面堆载区域为矩形,载荷均匀分布。回填土厚度为1 m,地表载荷区域为1.5 m×0.8 m,埋地管道直径为660 mm,壁厚为8 mm。

以X65钢级管道为例,选用理想弹塑性Mohr-Coulomb模型来描述岩土的本构关系,地层与回填土材料相同,其弹性模量20 MPa,泊松比0.3,密度1 840 kg/m3,黏聚力15 kPa,内摩擦角15°,管土之间的摩擦系数为0.3。对模型做以下假设:载荷区内为均布载荷,并作用在管道正上方;地层和回填土均为单相材料,且各向同性,不混合其他沙粒、石块[5,6]。

3 压力管道力学行为

当地表载荷为0.5 MPa、载荷区域为0.8 m1.5 m时,不同内压管道的应力应变响应如图3所示。由内压引起的管道周向变形可以抵抗外载引起的管道变形。图3(a)表明载荷区部分管道应力随内压增加有所降低,但其余部分管道应力则随内压的增大而增大。在载荷区下方,无压管道的高应力区最大;对于压力管道,高应力区只集中在管道顶部,且高应力区面积随内压的增大呈先减小后增大趋势变化。这是由于内压较小时,地表载荷对管道的影响大于内压,随着内压的增大,它可以抵消部分地表载荷的影响,因而管道高应力区随内压的增大而减小;当管道内压较大时,内压对管道的影响非常明显,因而在内压和地表载荷的联合作用下,管道高应力区逐渐增大。根据管道中间截面应力分布可知,管道截面90°左右位置的应力较小,而管顶应力大于管底,无压管道的应力大于压力管道,且其塑性变形部位较大。因此,地表堆载作用下的无压管道比压力管道更容易发生失效。

图3(b)中,随着内压增大,管道最大等效塑性应变先减小后增大,无压管道的塑性应变最大,塑性变形区主要出现在管道顶部,管道下半部分未发生塑性变形,无压管道的两侧也发生了塑性变形。随着内压的增大,椭圆形塑性区的长半轴逐渐减小,而短半轴则逐渐增大。

图3(c)中,随着内压的增大,管道沉降量逐渐增大。由于高压管道的等效刚度较大,地表载荷能量更多地被围土吸收;而无压管道刚度较小,管道变形吸收了部分能量,因而围土吸收的能量相对较少,因而无压管道的沉降量最小。管道截面椭圆度随着内压的增大而减小,且其变化率也逐渐减小。

图3  不同内压埋地管道应力应变响应

4  无压管道力学行为

(1) 堆载大小

地表载荷越大,其对埋地管道产生的附加力就越大,不同载荷大小作用下埋地管道应力应变响应如图4所示。图4(a)中,当地表载荷较小时,最大应力出现在载荷区域下方管道顶部,且呈椭圆形分布。随着载荷增大,管道最大应力逐渐增大,且高应力区沿管道轴向和周向扩展。随着载荷的持续增加,高应力区仍在管道上半部分,但管道下半部分的应力也继续增大。当地表载荷小于0.4 MPa时,管道未出现塑性变形。随着载荷的增大,椭圆形的塑性变形区域出现在管顶。当地表载荷大于0.45 MPa时,管道的两边也出现了塑性区,管道最大等效塑性应变随着地表载荷的增大而增大。

图4(b)中,随着地表载荷增大,管道沉降量逐渐增大。当地表载荷小于0.2 MPa时,管道最大沉降量仅为1.3 mm。管道最危险截面椭圆度随着地表载荷的增大而增大,当地表载荷小于0.4 MPa时,管道仅发生弹性变形,且椭圆度变化率非常小。当进入非弹性阶段后,管道椭圆度较大且出现塑性变形。此时,管道承载能力急剧降低,不利于清管工作,且易出现裂纹[7]。

图4  不同载重下埋地管道应力应变响应

(2)管道径厚比

不同径厚比管道的应力应变响应如图5所示。图5(a)中,随着径厚比减小,管道最大应力和高应力区也逐渐减小;当径厚比为110时,管道高应力区最大,其截面发生了屈曲。当管道截面发生失稳以后,其应力分布发生了较大的变化。因而,地表堆载作用下的薄壁管道更容易发生屈曲。

图5 不同径厚比埋地管道应力应变响应

图5(b)中,当径厚比为60时,管道未出现塑性变形。随着径厚比增大,管道的塑性应变和塑性变形区域均增大。塑性变形区最先出现在管道顶部,随着径厚比增大,管道两侧也逐渐进入塑性区。对于薄壁管道,地表堆载作用下易出现凹陷,截面呈新月形。随着径厚比增大,管道沉降量先增大后减小,管道临界径厚比为60;当径厚比小于60时,管道处于弹性变形阶段,地表堆载作用下管道弯曲应变非常小,管道沉降量随着径厚比增加而增加;当径厚比大于60时,管道进入塑性阶段,薄壁管道吸收了较多附加能量,因而,管道沉降量随着径厚比增大而减小。管道截面椭圆度随着径厚比增大而增大,且其变化率也逐渐增大。

(3)管道埋深

地表载荷对管道产生的附加力随埋深增加而减小。不同埋深下管道应力应变响应如图6所示,管道最大应力和高应力区随埋深增加而减小,同时管道下半部分的应力也逐渐减小。当管道埋深为1 m时,其上半部分截面呈现了塑性变形。因而,浅埋管道在地表堆载作用下更容易发生失效。对于人类活动较为频繁的区域,可增加管道埋深以降低其失效概率。

图6 不同埋深下管道应力应变响应

图6(b)所示管道最大等效塑性应变随着埋深的增加而减小。当埋深大于1.5 m时,管道未出现塑性变形;而当埋深小于0.5 m时,管道变形非常严重,出现了较大凹陷区域。管道沉降量随埋深的增加而减小,当埋深为3.0 m时,沉降量仅为7.83 mm。管道截面椭圆度也随着埋深的增加而减小,且变化率也逐渐减小。当埋深为1.5 m时,管道椭圆度为9.6%。在弹性变形阶段,管道椭圆度变化率非常小。因而,增加埋深是降低地表堆载影响的有效途径之一。

5 围土特性对管道力学行为影响

(1)围土弹性模量

围土是地表载荷与埋地管道的中间媒介,地表载荷对埋地管道产生的附加力通过围土作用在埋地管道上。因而,围土物理性质对管道应力应变有着重要影响。当地表载荷为0.5 MPa、载荷区域为0.8 m1.5 m时,不同弹性模量围土中的管道应力应变响应如图7所示。图7(a)中,管道高应力区随着围土弹性模量增大而减小,且管道下半部分的应力也随之减小。当E=10 MPa时,压载区下方的管道发生屈曲,这是由于低弹性模量围土变形较大,上覆土对管道作用力就越大所致。

图7(b)中,管道最大等效塑性应变随着围土弹性模量增加而减小。当E≥20 MPa时,管道塑性应变变化率非常小,且塑性应变分布较为接近。但当E=10 MPa时,管道却出现了较为严重塑性区,因而,在敷设管道回填时,需要严格关注回填土的选择。埋地管道的沉降量和截面椭圆度均随围土弹性模量的增加而减小,但其变化率也逐渐减小。

图7 不同围土弹性模量中埋地管道应力应变响应

(2)围土泊松比

不同泊松比围土中埋地管道的应力应变响应如图8所示,管道应力分布基本相同。管道高应力区随着围土泊松比的增大而减小,但变化率较小。不同泊松比围土中的管道塑性应变分布也基本相同,最大等效塑性应变均出现在管顶,但它随着围土泊松比的增大而减小,当泊松比大于0.3时,塑性应变的变化率较小。管道沉降量和截面椭圆度均随着围土泊松比的增大而减小,当泊松比大于0.3时,管道椭圆度变化较小。

图8 不同围土泊松比下埋地管道应力应变响应

(3)围土黏聚力

黏聚力体现了相同材料中邻近部分的相互吸引力。图9所示为不同黏聚力围土中埋地管道的应力应变响应。管道最大应力和高应力区均随着围土黏聚力增大而减小。当c=10 kPa时,载荷区下方管道出现了一个较大凹陷,管道截面变为新月形,表明当管道位于砂土地层中时更容易发生失效。当c>30 kPa时,管道最大应力仅出现在管顶位置。

图9(b)中,当c>30 kPa时,管道不会出现塑性变形。管道最大等效塑性应变和塑性变形区均随围土黏聚力的增大而减小。当c=40 kPa时,管道塑性变形区非常小。管道沉降量和截面椭圆度均随围土黏聚力的增大而减小。在管道发生屈曲以前(c ≥30 kPa),管道沉降量和截面椭圆度的变化率均非常小。因而,对于有埋地管道的砂土地层、粉土地层或其他黏聚力较小土体,必须严格控制地表载荷的大小,降低埋地管道的失效几率。

图9不同围土黏聚力下埋地管道应力应变响应

6  结论

(1)随着地表载荷的增大,高应力区沿管道轴向和周向扩展,同时管道最大等效塑性应变、沉降量、最危险截面椭圆度随着地表载荷增大而增大。因而,应该严格控制埋地管道上方大面积堆载情况的发生。

(2)随着内压增大,管道最大等效塑性应变先减小后增大,无压管道的塑性应变最大,塑性变形区主要出现在管道顶部,管道下半部分未发生塑性变形,无压管道的两侧也发生了塑性变形;随着径厚比的增大,管道的应力、塑性应变和塑性变形区域均增大,对于薄壁管道,地表堆载作用下易出现凹陷,截面呈新月形;同时,浅埋管道在地表堆载作用下更容易发生失效。

(3)管道应力、等效塑性应变、沉降量和截面椭圆度均随围土黏聚力、泊松比、弹性模量的增大而减小。

参考文献:

[1]梁政,张杰,韩传军.地质灾害下油气管道力学[M]. 北京:科学出版社,2016.

[2]孙中菊.地面堆载作用下埋地管道的力学性状分析[D].杭州:浙江大学,2014.

[3]王晓霖.典型不良地质条件下埋地管道安全评定方法研究[D].北京:中国石油大学,2009.

[4]帅健.管线力学[M]. 北京:科学出版社,2010.

[5]韩传军,张瀚,张杰. 地表载荷对硬岩区埋地管道应力应变影响分析[J].中国安全生产科学技术,2015.11(7):23-29.

[6]韩传军,张瀚,张杰.地表夯击载荷作用下埋地管道力学分析[J].中国安全生产科学技术,2015.11(10):61-67.

[7]Jie Zhang, Zheng Liang, Han Zhang. Mechanical behavior of oil and gas pipeline impacted by rockfalls [M]. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016.

作者:

张杰,男,1987年生,博士,讲师,硕士生导师,主要从事管道力学与安全评价、油气装备强度及服役行为研究,出版专著《地质灾害下油气管道力学》,发表相关论文40余篇。

《管道保护》2017年第6期(总第37期)

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