摘 要

摘　要：各種類型的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響埋地油氣管道的服役年限。為此，采用經(jīng)典力學(xué)中的彈塑性地基模型和winkler彈性地基模型進(jìn)行理論建模，根據(jù)工程實(shí)際情況結(jié)合兩種模型各自的優(yōu)

摘　要：各種類型的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響埋地油氣管道的服役年限。為此，采用經(jīng)典力學(xué)中的彈塑性地基模型和winkler彈性地基模型進(jìn)行理論建模，根據(jù)工程實(shí)際情況結(jié)合兩種模型各自的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建有限元實(shí)體模型，并選擇沖溝引發(fā)管道懸空為研究對(duì)象進(jìn)行仿真計(jì)算，得到懸空管道結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度、剛度之間的定量關(guān)系；進(jìn)而提出了通過(guò)減小重量變動(dòng)，改變材料組成及結(jié)構(gòu)，來(lái)提高懸空管道抗彎性能的技術(shù)思路，即借鑒碳纖維材料強(qiáng)固技術(shù)提升鋼筋混凝土梁柱的抗彎曲和抗剪切能力的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)管道的強(qiáng)固結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，綜合分析管道懸空力學(xué)模型的理論數(shù)據(jù)和工程相似性。結(jié)果表明：①使用碳纖維材料來(lái)強(qiáng)固管道結(jié)構(gòu)，可以改善管道抗彎和抗剪切能力，并且可開(kāi)展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量研究；②碳纖維強(qiáng)固技術(shù)在管道設(shè)計(jì)與施工階段的運(yùn)用，可作為地質(zhì)災(zāi)害下管道延壽工程的源頭治理方法之一。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)沖溝  油氣管道  懸空管道  彈塑性地基  Winkler彈性地基  碳纖維強(qiáng)固  延壽

A mechanical model and life extension analysis of the suspended pipelines under the condition of geological gulch

Abstract：Various types of geological disasters will seriously affect the service life of buried oil and gas pipelines．To this cnd，the base and Winkler type elastic foundation models were used for theoretical modeling．Based on the actual situation and characteristics of the said two models，we got a quantitative relationship between the suspended pipeline structure and strength＆rigidity by establishing the finite element solid model and selecting the pipeline suspension caused by geological gulch as the study object to carry out simulation．Then，we put forward a technical scheme to improve the bending resistance performance of the suspended pipeline by reducing the weight change and changing the composition and structure of materials．Therefore，we designed the pipeline reinforcing structure by using the carbon fiber reinforced plastic(CFRP)for reference to enhance the bending resistance and shear resistance capacity of reinforced concrete beams and columns．Moreover，we also made a comprehensive analysis of the theoretical data and engineering similarities of the suspended pipeline mechanical model．The results showed that carbon fiber is useful in reinforcing the pipestructure，thus improving the pipeline bending and shear resistance and making it possible for the quantitative research via exDeriments．In conclusion，the application of CFRP to pipeline design and construction stage can be regarded as one of the source control methods for pipeline service life extension engineering in case of geological disasters．

Keywords：geological gulch，oil&gas pipeline，suspended pipeline，elastic plastic foundation，Winkler elastic foundation，carbon fiher reinforced plastic(CFRP)，service lire extension

在石油儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)，每年因高壓油氣管道材料的提前損傷和提前失效而頻繁出現(xiàn)的重大事故，給國(guó)家能源戰(zhàn)略安全、企業(yè)生產(chǎn)安全和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成不可估量的損失。十年來(lái)國(guó)內(nèi)能源需求不斷增加，國(guó)家進(jìn)行了西氣東輸、北氣南下等一系列工程項(xiàng)目建設(shè)，管道里程數(shù)不斷增加，油氣管道的延壽分析已勢(shì)在必行。

油氣管道延壽是指^[1]：針對(duì)管道在使用中存在的質(zhì)量較差、性能較低、壽命較短、缺乏使用的可靠性、安全性和耐久性的具體表現(xiàn)、危害及根源，追溯所使用結(jié)構(gòu)及材料提前失效的原因，并提出相應(yīng)地解決方案及對(duì)策，建立管道全壽命控制技術(shù)，對(duì)管道的服役行為進(jìn)行前瞻性的預(yù)測(cè)與控制^[2]，促使管道從“末端治理”向“源頭治理”轉(zhuǎn)變。

油氣管線是涉及多區(qū)域的復(fù)雜工程，所經(jīng)包含高山、險(xiǎn)灘、丘陵、盆地、高原等區(qū)域。特別是長(zhǎng)輸高壓管線，服役環(huán)境極為惡劣，破壞形式也更加多樣。從國(guó)內(nèi)多條干線長(zhǎng)輸管道的運(yùn)營(yíng)來(lái)看，主要地質(zhì)災(zāi)害破壞形式為：滑坡、沖溝、塌陷、崩塌等。全長(zhǎng)超過(guò)4000km的西氣東輸主干管線，沿途經(jīng)過(guò)兩部的青藏高原和黃土高原、中部的太行山脈、東部的皖蘇丘陵平原和長(zhǎng)江三角洲等地區(qū)，近年來(lái)因滑坡地質(zhì)災(zāi)害引起：33處沖溝、l59處塌陷和61處崩塌等。地處西部的長(zhǎng)慶油田所下轄的管道大多埋設(shè)于黃土土質(zhì)以下，易出現(xiàn)沖溝破壞，導(dǎo)致管線大段裸露懸空。陜北靖邊縣青陽(yáng)岔鎮(zhèn)至子長(zhǎng)縣安定鎮(zhèn)間管段沿線的沖溝災(zāi)害尤為嚴(yán)重，1994年5月長(zhǎng)慶油田下轄的元一悅管線因洪水沖毀逾26處，且多處發(fā)生懸空拉斷，其中一處沖溝長(zhǎng)50m、寬8m、深2.5m，對(duì)整條管線的安全構(gòu)成極大的威脅^[3]。

以自然環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)及材料的影響為出發(fā)點(diǎn)去研究地質(zhì)災(zāi)害與油氣管道延壽，采用物理模型、力學(xué)模型結(jié)合有限元仿真技術(shù)定量分析管道結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，把優(yōu)化結(jié)構(gòu)作為管道壽命控制的技術(shù)關(guān)鍵，采用碳纖維強(qiáng)固法作為管道加強(qiáng)措施，提高在沖溝條件下懸空管獵的安全性。

1　沖溝災(zāi)害下懸空管道的力學(xué)模型

沖溝破壞是埋地管道常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害形式，由流水沖刷黃土和地層沉陷綜合所致，在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致管道的懸空拉斷，對(duì)管道的破壞是嚴(yán)重的。沖溝環(huán)境下的管道懸空模型是一種典型的地質(zhì)災(zāi)害模型。

1．1　彈塑性地基分析模型

敷設(shè)地下管道的土壤地基出現(xiàn)沖溝時(shí)，因流體沖刷作用，使沖溝段管道完全裸露懸空且裸管表面無(wú)覆土，而裸管沿軸向兩端仍埋于土壤中，受未損地基的支撐。沒(méi)有預(yù)先設(shè)置固定墩的埋地管道，出現(xiàn)沖溝破壞的位置具有隨機(jī)性，可將整個(gè)沖溝破壞的相關(guān)管段等效為無(wú)固定墩的彈塑性地基梁模型^[4-7](圖1)。

 

懸空段L：受埋地段兩端的拉伸、懸空與埋地過(guò)渡處下滑土的剪切、輸送介質(zhì)重量和管道白重等力的作用。通過(guò)力學(xué)等效簡(jiǎn)化，該段為當(dāng)量軸向力(S0，)、彎矩(M0)，剪力(Q0)、上部均布載荷(q)作用的大撓度梁。

埋地段：因假定土質(zhì)近均勻、模型受載變形近對(duì)稱，所以取懸管最大撓度處的對(duì)稱線C-C以左部分的埋地段進(jìn)行分析。埋地段地基等效為彈性模型段L2和L3，并將其簡(jiǎn)化剛度系數(shù)為K、最大支撐反力為F的土彈簧，土彈簧地基彈塑性的分界點(diǎn)為w0＝F／K。當(dāng)土體變形量w>w0時(shí)，地基為塑性(L2)，支撐反力為Kw0符合彈塑性假定；當(dāng)土體變形量w≤w0時(shí)，地基為彈性(L3)，支撐反力為Kw，符合Winkler假定。此段管道受回填土重量、管道自重和輸送介質(zhì)重量三者疊加而成的均布載荷q1，受管道溫差、輸壓、管軸方向的回填土阻力和來(lái)自懸空段管道的拉伸力共同作用而引起的當(dāng)量軸向力，及彎曲而產(chǎn)生的彎矩和由埋設(shè)懸空的狀態(tài)轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的剪力。

等效彈塑性地基模型綜合了多種影響因素，體現(xiàn)了管道的幾何非線性和土壤的物理非線性。在針對(duì)管道沉陷、沖溝和塌陷等多種力學(xué)模型中，彈塑性地基模型是相對(duì)接近實(shí)際的。但是，彈塑性地基模型因其綜合因素多而致使其解析表達(dá)式復(fù)雜，尋求解析解難度較大。因此，工程上在對(duì)懸空管道力學(xué)行為進(jìn)行分析時(shí)主要采用Winkler地基模型或《現(xiàn)役管道的不停輸移動(dòng)推薦做法》，而較少使用彈塑性地基模型。本文主要目的是為了得到管材結(jié)構(gòu)與受力之間的關(guān)聯(lián)性，要求計(jì)算結(jié)果在可信區(qū)間內(nèi)能解釋工程問(wèn)題，選用Winkler地基模型可較大程度的簡(jiǎn)化計(jì)算。

1．2　Winkler彈性地基計(jì)算模型

選用Winkler地基模型建立慶咸輸油管線沖溝處懸空管段力學(xué)模型和解析表達(dá)式，針對(duì)事故管段(包括懸空撓曲段和埋地段)，作如下力學(xué)假設(shè)：

1)土壤體為彈性體，過(guò)懸管段管相對(duì)于最大撓度處C-C對(duì)稱。

2)沖溝寬度小于50m，不考慮管道軸向力，不考慮管道施工和運(yùn)營(yíng)之間的溫度差，忽略輸送介質(zhì)的動(dòng)荷載和內(nèi)壓，忽略風(fēng)載。

3)土基用彈簧代替。

4)管道無(wú)缺陷。

圖2為模型簡(jiǎn)圖，與彈塑性地基模型相比，埋地段影響區(qū)為彈性變形區(qū)(無(wú)塑性變形)。管道變形前軸線為x軸，y軸過(guò)對(duì)稱中心，管道各截面的y坐標(biāo)值為對(duì)應(yīng)部分的管道撓度，任意截面的轉(zhuǎn)矩為M，M0和Q0是管道懸空段與埋地段交界處的彎矩和剪力。利用Winkler假定，通過(guò)懸管長(zhǎng)度(L)、埋地管長(zhǎng)(L1)、懸空段載荷(q)(管自重和介質(zhì)重)、埋地段載荷q0(圖3中上覆土重q土＝H·L·D·r土·g、管自重、介質(zhì)重)、已知地基系數(shù)(K0)，在對(duì)管道兩端固支的情況下求管道各微段的撓度(y)、轉(zhuǎn)矩(M)、豎直剪力(Q)值^[8-10]。

 

 

BC段微分方程：

 

式中1為管道截面慣性矩，K0為地基系數(shù)，D為管道外徑，E為鋼材的彈性模量?？赏茖?dǎo)出：

 

AB段微分方程：

 

可推導(dǎo)出：

 

利用B處的邊界條件以及變協(xié)調(diào)方程求得：

 

2　慶—咸輸油管線沖溝段有限元分析

慶—咸輸油管線某處發(fā)生沖溝破壞致使管道懸空近30m，管段埋深1.5m，X70管材，規(guī)格Æ1016mm×17.5mm，E為210GPa，m為0.3。ss為485MPa．sb為565MPa，鋼材密度7850kg／m³，鋼管自重9900N／m，單位長(zhǎng)度管道上方土壤重25400N／m，土密度為l700kg／m³，土彈簧剛度(K)為5.032×10⁶。

建立有限元物理模型時(shí)，將埋地管段所受到土壤支反力用一定間距的若干根彈簧代替，彈簧與管下表面呈點(diǎn)一面接觸。合理選取埋地管段長(zhǎng)度，使管模型兩端不受懸空段的影響，從而實(shí)現(xiàn)管兩端的固支模型，一般工程上取單側(cè)埋地段長(zhǎng)度為懸空段長(zhǎng)度的l／2，這時(shí)管兩端可近似為固支^[10](圖4)。

 

1)圖5、6表示了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際懸空長(zhǎng)度為30m時(shí)，應(yīng)力和撓度沿管線的分布情況，可見(jiàn)Mises應(yīng)力和豎直方向應(yīng)力在±15m處最大，而最大撓度出現(xiàn)在模型C-C處，也就是懸空水平對(duì)稱處。

 

 

懸空30m時(shí)，仿真結(jié)果如圖7，在沿管軸方向(圖中x方向)的對(duì)稱中心處管道變形位移最大，在兩固支端、埋地與懸空的過(guò)渡處、對(duì)稱中心處應(yīng)力集中較明顯，沿豎直方向(圖7中y方向)管道上部應(yīng)力集中比管道下部明顯，最大應(yīng)力為230MPa，小于屈服極限485MPa，所以管道處于安全范圍內(nèi)。

 

2)保持其他工況參數(shù)不變，改變懸空長(zhǎng)度分別為35m、40m、45m、50m、55m、60m時(shí)，汁算管道最大應(yīng)力、彎矩和撓度(見(jiàn)圖8～10和表l)。可見(jiàn)：截面A處撓度最大，截面B處剪力最大，管道易在截面B處發(fā)生剪力破壞。當(dāng)懸空長(zhǎng)度為55m時(shí)，管道已接近失效上限，仍處于安全范圍。60m時(shí)，管道最大應(yīng)力大于485MPa，此時(shí)管道失穩(wěn)，超出安全極限，理論上已失效。

 

 

 

 

3)以上工況，把管道壁厚分別改變?yōu)?span lang="EN-US">15.5mm、16.5mm、18.5mm、19.5mm，計(jì)算管道最大Mises應(yīng)力的變化情況(圖11)，最大Mises應(yīng)力隨壁厚的增加而下降，安全裕度隨壁厚增加而升高。為此，管道壁厚的增加量不能太大，若壁厚過(guò)大，為保持管道質(zhì)量不變，必須減少管徑，這會(huì)影響管道輸量；若要保持管道內(nèi)徑不變，壁厚增加太多，勢(shì)必使單位管段的耗材和質(zhì)量劇增，以至管道豎向受力增大。本文僅對(duì)管道壁厚作適度調(diào)整以觀察受力與管材結(jié)構(gòu)變化的關(guān)聯(lián)性，為碳纖維強(qiáng)固提供理論依據(jù)。碳纖維質(zhì)量小于鋼管，自身抗拉能力強(qiáng)，對(duì)擘厚影響較小，這些特點(diǎn)可滿足上述分析的需要：即重量變動(dòng)不大、適當(dāng)改變材料組成及結(jié)構(gòu)、提高抗彎能力。

 

3　管道碳纖維強(qiáng)固的延壽設(shè)計(jì)

纖維強(qiáng)固材料(Fiber Reinforced Plastics，FRP)括：碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)和芳綸纖維(AFRP)，碳纖維平均抗拉強(qiáng)度為4210MPa(相當(dāng)于碳素鋼的l0倍)，平均彈性模量為235×10⁹MPa(與鋼材接近)，熱膨脹系數(shù)與鋼材相仿，耐腐蝕、抗老化、耐溫、抗蠕變能力較好，且厚度小、質(zhì)量輕、層間剪切力高、穩(wěn)定性好、纏繞方式靈活易操作，大量應(yīng)用于航天、兵器、建筑和化工領(lǐng)域，表2列舉了3種碳纖維布^[11]性能。

 

3．1　管道強(qiáng)固的目的

碳纖維強(qiáng)固技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，辛要用以提高梁柱結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪能力。存石油工程領(lǐng)域，管道強(qiáng)崮于20世紀(jì)90年代以后興起于美國(guó)，目前此項(xiàng)技術(shù)主要用于油氣管道破損(裂紋、點(diǎn)蝕)的修補(bǔ)，以平衡管道內(nèi)壓，防止管道環(huán)向應(yīng)力集中。而在管道設(shè)計(jì)與施工階段，專門(mén)針對(duì)平衡管道彎曲和提高管道抗拉能力為目的而應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)還很少。為此，在管道設(shè)計(jì)與施工階段，針對(duì)易發(fā)生沖溝破壞的管段進(jìn)行材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，可將CFRP布粘貼于埋地管道與上基接觸的下半圓周面，以提高管道豎向抗彎能力。對(duì)于已預(yù)先經(jīng)過(guò)碳纖維強(qiáng)固處理過(guò)的管道，可增加管段出現(xiàn)懸空時(shí)的安全懸空長(zhǎng)度，增大安全裕度，提升管材的安全可靠性，從而延長(zhǎng)管道壽命。

3．2　管道強(qiáng)固的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

碳纖維材料的多項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)優(yōu)于鋼材，圖l2為碳纖維布粘貼在管道下半圓周面示意圖。用間距分布的環(huán)形碳纖維箍條周向預(yù)緊粘貼，箍條有助于防止下部碳纖維布剝離管道，同時(shí)在預(yù)緊力的作用下使碳纖維布與管道粘貼更緊密，且使強(qiáng)固材料對(duì)管道有了一定的拉力。參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果^[12]，管道上半圓周表面可不粘貼強(qiáng)固材料，合理布置下半圓周強(qiáng)固材料，實(shí)際上間接增加了下半圓周管道的壁厚。上述碳纖維強(qiáng)固措施對(duì)管道整體均勻性和結(jié)構(gòu)對(duì)稱性是負(fù)面的，但從前面力學(xué)分析可知，這種措施使管道整體力學(xué)性能得到優(yōu)化，因此這種負(fù)面影響是可以忽略的。碳纖維材料是從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)管道力學(xué)性能優(yōu)化的：①管材結(jié)構(gòu)(壁厚)；②碳纖維材料自身抗拉伸性能。

 

4　結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)在役埋地油氣管道的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與統(tǒng)計(jì)，選擇沖溝引發(fā)管道懸空為研究對(duì)象，采用經(jīng)典力學(xué)中的彈塑性地基模型和Winkler彈性地基模型進(jìn)行理論建模，構(gòu)建有限元實(shí)體模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，得到管道結(jié)構(gòu)參數(shù)與相關(guān)力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)合工程相似性分析(鋼筋混凝土梁柱的抗彎曲和抗剪切)，通過(guò)碳纖維強(qiáng)固使管道結(jié)構(gòu)的抗彎抗剪力學(xué)性能得到優(yōu)化，這種方法可有效應(yīng)用于管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工。

1)有別于傳統(tǒng)的“事后處理”的治理思想。該文將管道服役壽命的控制重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)和施工階段，從源頭上治理地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道的破壞。在管道設(shè)計(jì)與施工階段，碳纖維強(qiáng)固技術(shù)可作為地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境下管道延壽工程的源頭治理方法之一。

2)在力學(xué)模型的選用上根據(jù)工程實(shí)際結(jié)合彈塑性地基和Winkler彈性地基各自的優(yōu)點(diǎn)，避開(kāi)了單純應(yīng)用彈塑性地基模型的繁瑣計(jì)算。

3)借鑒了采用碳纖維強(qiáng)固技術(shù)提升鋼筋混凝土梁柱的抗彎曲和抗剪切能力的經(jīng)驗(yàn)，將碳纖維強(qiáng)固技術(shù)應(yīng)用于油氣管道抗彎曲和抗剪切性能的改進(jìn)，而不局限于現(xiàn)有油氣管道工程中此技術(shù)只用于提升管道抗內(nèi)壓能力的管道修補(bǔ)^[13]。

4)碳纖維強(qiáng)固法優(yōu)化改善管道抗彎強(qiáng)度還需大量的實(shí)驗(yàn)支撐，后續(xù)工作尚需進(jìn)一步深入。

 

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本文作者：張鵬  魏群  崔立偉  龍曉丹

作者單位：西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

  西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院