张羽翀

西部管道公司兰州输气分公司

 

摘  要： 以涩宁兰一线某穿越斜坡季节性冻土地貌埋地管道为例，介绍了位于季节性冻土区的管道当前面临的主要风险、土体位移分布形式与位移大小的确定，以及季节性冻土区斜坡体位移作用下管道的受力和变形情况。采用向量式有限元方法，由空间梁单元和非线性土弹簧模型对灾害点管道进行了数值模拟，并得到管道现状应力分布，为确定管道本体应变监测截面位置、估计管道现状应力分布和管道安全评价提供依据。

关键词： 季节性冻土区；管道位移；模型计算；应力分析

 

涩宁兰一线K687+600处管道横向敷设于斜坡中上部，除管沟发生沉陷外（最大沉陷深度近1 m），坡体垂直于管道方向发生了蠕动变形。 2015年3月，现场调查滑坡后缘电线杆明显向下坡方向倾倒，管道附近土体向下坡方向推移了2～3 m。与2012年7月现场调查相比，变形进一步加剧，并对临近的涩宁兰复线管道的安全运营构成严重威胁。详情如图 1―4所示。

K690+600处斜坡中部地势较低，形成了明显的汇水区域，土壤含水量极高；两侧地势较高，含水量相对较低，导致该处差异性冻胀极为明显，很容易造成管道局部应力集中。与此同时，受管道热源影响，管周土体出现蠕动变形，形成长约120 m的热融滑坡。从现场调查来看，滑坡周界清晰，若变形进一步加剧，必将严重影响管道安全。

如图 5所示，管道存在多处冷弯管（下文简称弯管），对管道在滑坡作用下的位移、应力和应变响应有很大影响，因此，在进行管道本体应变监测[1]、管道位置测量和力学计算时，均应充分重视弯管邻近段管道[2]。

1 土体位移分析

管道横向敷设于斜坡中上部，坡体角度17°，坡脚有河道，坡体为粘土含少量卵石。此处海拔3 744 m，地面1.5 m以下就有冻土层分布，每年9月底土层上冻，到次年的5月左右才开化。由于开挖管沟和敷设管道，周边岩土层受管道温度影响较大，季节性冻土层开始融化，坡面融水漫流。融水入渗致使周边土体呈塑流状，破坏了土体原有的平衡状态，垂直于管道敷设方向出现蠕滑。目前，斜坡体已出现明显滑动迹象，斜坡前缘呈圆弧状外凸；原本呈直线状布设的管沟出现弧状弯曲，凸向坡外；坡体内设置的电线杆已向滑动方向倾斜。从现场调查来看，滑坡长约120 m，管沟内侧坡体已向管道外侧推移2.5 m，推测滑动面为永冻土与融化土层的分界面，严重影响管道安全。结合现场踏勘、竣工资料和卫星图影像判断，管道与土体蠕滑作用的位置关系如图 6所示，管道与坡体方向的夹角为73.9°。

为确定管道走向，采用雷迪探测仪和全站仪相结合，实测10处灾害点管道的三维坐标信息，相对坐标位置如表 1所示。依据测点坐标，由冷弯管曲率半径40 D为基准，复现真实光滑管轴线，并基于此建立管道有限元计算模型，如图 7所示。

                

采用位移加载的方法，分析管道在位移载荷作用下的受力状态。共测得10个位移数据，据此结果使用最小二乘法拟合管段的位移分布，即可描述管道沿线任意一点的土体位移大小。

按照前述坐标体系，将管道的空间位移矢量分解为y方向和z方向，分别进行位移分布拟合，拟合中采用了如式（1）所示的四次位移分布假设，得到管道承受的各方向土体位移分布如图 8所示。

2 管道受力分析

2.1 管道基本参数

结合涩宁兰一线设计资料及现场检测结果，管道基本参数见表 2。

2.2 计算模型

采用向量式有限元方法中的管单元和非线性土弹簧单元进行管道受力分析，分析模型模拟在给定地表变形的情况下，管道与土体之间的相互作用，进而确定管道在不同工况下的力学响应[3]。管道受力简化模型及受力分析模型如图 9所示。有限元计算模型的坐标系以管道轴向为X轴，顺气流方向为正；以垂直管道轴向且竖直向上为z轴正方向；以垂直管道且水平指向坡外为y轴正方向。

参考GB 50470―2008 《油气输送管道线路工程抗震技术规范》 [4]附录E中关于土弹簧的规定，将管道与土体相互作用力用一系列离散非线性土弹簧进行模拟。根据现场踏勘和管道建设期资料，管周土壤按软粘土且相关土壤参数见表 3，管道三向土弹簧参数见表 4。

                

土体滑坡导致的管道附加应力在设计阶段未考虑在内，因此进行有限元计算时，仅对管道施加土体位移作用，不施加温度和内流压力等设计荷载。但是，为准确评估管道安全性，后文在进行管道应力校核时，考虑了内流压力和温度所导致的管道应力。

2.3 结果分析

计算结果表明，当最大土体位移为1 m时，管道最大轴向应力约为217 MPa，最大压应力﹣60.7 MPa，下游段承受较大拉应力， X 3截面附近受力最不利， X2截面为反弯点，受力状态复杂， X1截面相对安全。

如图 10所示为管道应力分布。管道为大长细比结构，其受力与变形可分解为水平弯曲、竖向弯曲、轴向拉伸（或压缩）及扭转变形的组合。由于管道在 侧向土体推移作用下主要承受拉（压）弯组合变形，扭转作用较弱。因此，计算结果不讨论管道轴向扭转应力的影响。管道应力由水平弯曲应力、竖向弯曲应力、轴向平均拉伸（或压缩）应力叠加得到。如图 11所示，管道在X<100 m区段主要承受拉弯变形，而在X>100 m区段则承受压变变形，这是由管道走向特征和土体位移分布特征决定的。

            

在土体蠕滑位移作用下，管道将发生轴向、侧向和竖向位移，管道变形规律与土体位移规律近似，但随管道受力特征而变。如图 12所示为管道轴向、侧向和垂向位移分布。在X<100 m区段内，轴向位移为正，说明管道在土体位移作用下朝X轴正方向有轴向移动，进而造成X<100 m区段内管道轴向受拉而X>100 m区段内管道轴向受压。在土体位移作用下管道发生相应的侧向和竖向位移，并造成弯曲应力。如图 10所示，管道轴向弯曲应力不仅随位移分布改变，而且与图 7中管道走向相关。弯曲应力极值处对应于土体剪切作用较大处和管道走向改变处，因此在土体剪切带和弯管处应重点关注管道弯曲变形情况。

季节性冻土区的土体蠕滑现象具有周期性，在每年冻土融化过程中都会有不同程度的位移发生，随着年限增加，土体位移可达到较大水平。为评测当前模型中管道可承受的最大土体位移，将土体位移等比例增大至最大2 m，得相应的应力和位移分布。

计算结果显示，当最大土体位移为2 ｍ时，管道最大轴向拉应力约为329 MPa，最大压应力﹣18.4 MPa，下游段承受较大拉应力， X3截面附近受力最不利， X2截面为反弯点，受力状态复杂， X1截面相对安全。对比土体位移为1 m时的计算结果，管道受力变形规律保持不变，但应力与位移增大。详见图 13―15。

                    

2.4 应力校核

为判断管道在土体蠕滑作用下的安全状态，需要校核管道应力。依据美国机械工程师协会ASMEB 31.8―2007和GB 50251―2015《输气管道工程设计规范》相关规定[5-6]，分别校核管道轴向拉伸应力和轴向压缩应力。由于管道应力不仅由季节性冻土区斜坡体蠕滑作用引起，同时与温度和内压密切相关，因此在校核管道轴向应力时必须考虑内压引起的环向应力、环向应力引起的轴向泊松应力和管体温度改变引起的温度应力。详情如表 5所示。

依据规范[5,6]要求，管道轴向应力和当量应力均不应超过0.9倍屈服应力，即0.9×415 MPa=373.5 MPa。当最大土体位移分别为1 m和2 m时，应力校核过程如下。

土体位移为1 m时管道轴向应力：

 

土体位移为1 m时管道当量应力：

 

土体位移为2 m时管道轴向应力：

 

土体位移为2 m时管道当量应力：

 

校核结果显示，当土体位移为1 m时，管道轴向应力和当量应力均满足规范要求，管道安全；当土体位移为2 m时，管道轴向应力为397.2 MPa，大于许用值373.5 MPa，管道失效。

3 结论

（1）建立了针对季节性冻土区斜坡体蠕滑作用下埋地管道应力计算有限元模型。模型考虑了管道的竖向弯曲、水平弯曲和轴向拉伸（压缩）组合变形，采用非线性土弹簧模拟土体对管道的作用力；其中，土体位移分布的确定结合了实测地表位移和四次位移分布假设。

（2）计算结果显示，当土体最大位移为1 m时，管道轴向应力和当量应力处于规范认定的可接受水平；但当土体最大位移达到2 m时，管道轴向应力超过规范许用值，管道失效。

 

参考文献：

[1] 陈友昌, 籍程, 黄建忠, 刘畅. 冻土区埋地油气管道应变监测及预报系统[J]. 中国地质灾害与防治学报,2011, 22(4): 122-126.

[2] 冯伟, 黄建忠. 滑坡变形对输气管道安全的影响分析[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2009, 20(1): 51-54.

[3] 刘俊卿. 基于向量式有限元方法研究地质灾害作用下埋地管道的力学响应[D]. 中国科学院大学, 2016.

[4] GB/T 50470-2017 油气输送管道线路工程抗震技术规范[S].

[5] GB 50251-2015 输气管道工程设计规范[S].

[6] ASME B31.4-2016 Pipeline Transportation Systemsfor Liquids and Slurries[S].

 

作者：张羽翀， 1975年生，工程硕士，中石油西部管道公司兰州输气分公司副经理，长期从事管道工程建设运营管理技术工作。