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管道研究

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适应地貌地质特征提升山地管道安全性

来源:《管道保护》杂志2021年第1期(总第56期) 作者:帅健;张银辉 时间:2021-1-20 阅读:

帅健 张银辉

中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院



摘  要:山地高低起伏、沟壑纵横、坡度陡峻,地质灾害频发,不仅给山地管道施工建设带来极大困难,也给后期运行维护带来严峻挑战。从应力分析、本质安全、防护结构、灾害监测等方面提出了提升管道安全性的措施,包括全面了解管道的应力状态、提高环焊缝的承载能力或应变能力、提升防护结构安全水平、加强地质灾害识别与监测等,为山地管道的设计、运行维护提供参考。

关键词:山地管道;地质灾害;应力分析;本质安全


油气管道的运行安全与其敷设所处环境密切相关。我国属于多山国家,随着管道建设的日益增多,管道不可避免地要经过山地区域。山地表面形态各异、蜿蜒起伏的地形地貌特征使得管道受到的外部载荷条件呈现复杂状况。同时,山地具有地质灾害频发的特点,常见的地质灾害如滑坡、崩塌、断层、泥石流等,可能直接造成管道拉裂、弯曲、压缩、扭曲、屈曲等[1],引发严重的安全事故。

图 1为临近道路施工诱发山体滑坡,开挖后的管道发生明显移位。图 2为某管道山地敷设段因滑坡而发生皱褶,引发了介质泄漏。从山地管道失效案例可以总结管道失效原因:一是对管道受到的外部载荷估计不足,往往是管道发生事故之后,才意识到管道受到严重的载荷作用;二是管道的应变能力不足,土体扰动即可能导致管道失效;三是管道的防护结构(如挡土墙等)保护能力不足,某些因素可能致其先行损坏,未能对管道起到足够的防护作用。

                              

为适应山地地貌、地质特征,从管道的应力分析、本质安全、防护结构和灾害监测等方面提出改进措施,提升山地管道的安全性,预防事故发生。

1  准确分析山地管道载荷

与平缓地形敷设的管道不同,地形起伏蜿蜒可能使管道发生弯曲甚至扭曲,给管道的应力分析带来困难[2,3],加之不良地质条件的存在,可能使管道受到复杂的载荷作用,进一步加剧了管道的变形。因此,查明山地敷设段管道受到的载荷大小,准确分析管道的应力状况,是山地管道安全分析的首要工作。

为提高山地管道应力分析的准确性,制定合理的分析流程就尤为重要。以下管道应力分析流程,典型地质灾害如滑坡、断层、崩塌、泥石流等均适用。

(1)调查与勘测。确定管道的现场地质情况、地形地貌、敷设参数、管输介质及运行参数等。

(2)确定工况条件。包括土体移动、影响范围及管土作用等情况的分析与预测。

(3)管道力学行为分析与计算。采用有限元法及解析计算方法,定量计算管道的应力及应变状态。

(4)极限状态判别。针对不同类型地质灾害,采用合适的管道极限状态判定准则判别管道的极限状态,典型的极限状态如屈服、拉裂、屈曲以及椭圆化变形等。

(5)安全评定。对比极限状态判定准则确定管道的安全状态,建议采取维护或防治措施。如有必要,针对维护或防护措施进行验算,确保维护或防治措施的可靠性。

山地管道的力学行为往往是复杂的,采用解析计算方法较难处理此类问题,而采用有限元方法较为可行[4],这也是目前普遍采用的方法。在有限元方法中,管土间相互作用采用土弹簧模型化,通过弹簧的刚度及自由度反映土质类型及土体运动形式,包括轴向、横向及竖向土弹簧,轴向土弹簧反映了土体与管道间的轴向作用力及位移关系,横向及竖向土弹簧反映了土体与管道的横向作用力与位移关系。

以某受滑坡影响的山地管道为例,管材X60,管径475 mm,壁厚7.1 mm,管顶埋深1.5 m,管道周围土壤类型为松散砂土。土体位移方向与管道轴向垂直,即横向滑坡,滑坡区宽100 m,滑坡位移2 m。有限元模型计算总长500 m,滑坡区位于200~300 m处,如图 3所示。

有限元分析得到管道的应力分布情况如图 4及图 5所示。从图 4可以看到,在滑坡体与滑床过渡位置为应力突变处,管道A、B侧的应力均发生了由受拉应力到受压应力的转变,该处位置是管道的危险段,如果管道的变形较大,可能会在该处发生断裂。图 5为从管道B侧提取得到的轴向应力分布情况,从图中可以看到,应力在滑坡体与滑床过渡位置发生显著变化。最大压应力位于滑床区域,其值为200 MPa,最大拉应力位于滑坡体内,其值为528 MPa,此应力已经超过管道屈服强度,发生塑性变形,应采取必要的措施降低管道受到的应力。

                              

2  增强山地管道本质安全

山地管道易遭受地形地貌、不良地质条件等外部因素的影响,改善管道抵御外部危害的能力,有利于增强山地油气管道本质安全。

为适应地形地貌以及地质灾害频发的特征,山地管道应具备一定应变能力,推荐采用基于应变的设计理念,即容许管道在轴向产生一定程度的塑性变形,利用管道的柔性缓解管道受到的应力,这种基于应变的设计方法已纳入国外相关标准。据报道,我国采用这种基于应变的设计方法,解决了经过强震、活动断层和冻土等复杂条件地区管道的设计与施工难题。

然而,基于应变的设计对管道环焊缝的要求较高,因为其容许管道在轴向产生一定程度的塑性变形,而这种轴向应变施加在管道的环焊缝上,环焊缝可能因应变能力不足而断裂。同时,由于管道是一种典型的焊接结构,焊缝及靠近焊缝的母材及热影响区不可避免地存在各种形式的焊接缺陷,如裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合等,极大地影响了管道的承载能力或应变能力。近年来,发生数起因管道环焊缝断裂失效而引发的严重事故也证明了环焊缝质量的重要性。

针对高钢级管道环焊缝断裂问题,笔者建立了基于应变的断裂评价方法[5],包括管道环焊缝局部力学性能测试、基于损伤的管道环焊缝有限元模型、管道断裂韧性的约束校正等,定量管道环焊缝的应变能力。在基于应变的断裂分析中,采用裂纹尖端张开角(CTOD)作为参数描述裂纹扩展驱动力和裂纹扩展阻力。图 6是裂纹扩展驱动力曲线,随着缺陷长度2 c(分别取值50 mm、100 mm、150 mm)及缺陷深度a(分别取值0.3 t,0.4 t,0.5 t)的增大,曲线不断左倾,且斜率越来越大,表明环焊缝的应变能力随缺陷尺寸的增大而逐渐减小。

基于应变的裂纹驱动力涉及因素较多,包括环焊缝材料力学性能、环焊缝缺陷形式以及环焊缝几何缺陷(错边、咬边等),因此,应定量裂纹驱动力与载荷、材料力学性能及焊缝几何特性的关系,从而定量管道环焊缝的应变能力,并优化管道环焊缝的结构与力学参数。

3  提升山地管道安全防护水平

山区地质灾害对管道安全的影响是多方面的,为确保管道的安全运行,需要对各灾害种类的特点、发展演化过程和阶段及其作用因素等进行评估,并依据管道地质灾害的成灾机理、影响范围,对管道可能面临的地质灾害采取相应的防护对策。

山地管道地质灾害防护结构包括设置挡土墙、抗滑桩、锚杆挡墙、格构锚固以及治理地下水等。对于性质简单处于稳定状态的地质灾害体,一般可以进行治理,但应避免大填大挖,力求措施简单、工程量少、施工方便、经济合理。此外,滑坡等地质灾害治理的首要任务是排水工程,然后才是针对滑坡滑动的主要因素、结合管道的施工条件及其他要求而采取的防治结合、以防为主的综合治理措施。

由于管道地质灾害的形成、演化是一个长期的过程,因而对管道地质灾害演化情况进行监测是必要的手段。管道地质灾害的监测,是监测地质灾害体及其相关因素,判别地质灾害体的稳定状态,并预测其未来一段时间内的发展动态,包括地质灾害体、相关因素、管体应力与变形等的监测[6]。应根据监测目的、灾害体和管道的特点,本着少而精的原则选用监测内容。监测内容确定后,根据监测参数、监测精度要求、监测周期和现场交通、水电、通信等条件,本着先进适用、精度适宜、易于实施、结果可靠、经济合理的原则,确定所采用的监测设备和技术。

4  结论及建议

针对山地管道在运行过程中突出的安全问题,从应力分析、本质安全、防护结构和地质灾害监测方面提出了提升山地管道安全性的措施,并阐述了管道应力分析模型、管道环焊缝的应变能力分析方法,提出如下建议。

(1)山地管道的应力分析对于管道安全运行至关重要,应全面了解管道的应力状态或受到的载荷,为山地管道的设计、运行维护提供依据。

(2)提高环焊缝的应变能力,进一步开展环焊缝裂纹缺陷产生和扩展机制研究,发展基于应变的断裂理论,优化环焊缝的匹配设计及力学性能参数。

(3)加强地质灾害防控和防护结构建设,提升管道安全水平,防止管道地质灾害的发生或限制其对管道的危害。

(4)加强地质灾害的识别与监测,建立山地管道地质灾害隐患识别系统方法,准确排查管道沿线地质灾害点,进行全面、实时监测和及时预警。

 

参考文献:

[1] 帅健,王晓霖,左尚志. 地质灾害作用下管道的破坏行为与防护对策[J].焊管,2008(05):9-15+93.

[2] 帅健. 管线力学[M]. 北京:科学出版社,2010.

[3] 帅健. 管道及储罐强度设计[M]. 北京:石油工业出版社,2016.

[4] 王晓霖,帅健,张建强. 开采沉陷区埋地管道力学反应分析[J].岩土力学,2011,32(11):3373-3378+3386.

[5] 帅健,王旭,张银辉,等. 高钢级管道环焊缝主要特征及安全性评价[J]. 油气储运,2020,39(6):623-631

[6] 张银辉,帅健,张航,等. 1种基于云服务平台的滑坡管道状态远程实时监测系统[J].中国安全生产科学技术,2020,16(02):124-129.

 

作者简介:帅健,中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院教授,博士生导师。研究方向:管线力学、完整性管理、油气安全。联系方式:13910027590,shuaij@cup.edu.cn。

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