張羽翀

西部管道公司蘭州輸氣分公司

 

摘  要： 以澀寧蘭一線某穿越斜坡季節(jié)性凍土地貌埋地管道為例，介紹了位于季節(jié)性凍土區(qū)的管道當前面臨的主要風險、土體位移分布形式與位移大小的確定，以及季節(jié)性凍土區(qū)斜坡體位移作用下管道的受力和變形情況。采用向量式有限元方法，由空間梁單元和非線性土彈簧模型對災害點管道進行了數(shù)值模擬，并得到管道現(xiàn)狀應力分布，為確定管道本體應變監(jiān)測截面位置、估計管道現(xiàn)狀應力分布和管道安全評價提供依據(jù)。

關鍵詞： 季節(jié)性凍土區(qū)；管道位移；模型計算；應力分析

 

澀寧蘭一線K687+600處管道橫向敷設于斜坡中上部，除管溝發(fā)生沉陷外（最大沉陷深度近1 m），坡體垂直于管道方向發(fā)生了蠕動變形。 2015年3月，現(xiàn)場調(diào)查滑坡后緣電線桿明顯向下坡方向傾倒，管道附近土體向下坡方向推移了2～3 m。與2012年7月現(xiàn)場調(diào)查相比，變形進一步加劇，并對臨近的澀寧蘭復線管道的安全運營構成嚴重威脅。詳情如圖 1―4所示。

K690+600處斜坡中部地勢較低，形成了明顯的匯水區(qū)域，土壤含水量極高；兩側地勢較高，含水量相對較低，導致該處差異性凍脹極為明顯，很容易造成管道局部應力集中。與此同時，受管道熱源影響，管周土體出現(xiàn)蠕動變形，形成長約120 m的熱融滑坡。從現(xiàn)場調(diào)查來看，滑坡周界清晰，若變形進一步加劇，必將嚴重影響管道安全。

如圖 5所示，管道存在多處冷彎管（下文簡稱彎管），對管道在滑坡作用下的位移、應力和應變響應有很大影響，因此，在進行管道本體應變監(jiān)測[1]、管道位置測量和力學計算時，均應充分重視彎管鄰近段管道[2]。

1 土體位移分析

管道橫向敷設于斜坡中上部，坡體角度17°，坡腳有河道，坡體為粘土含少量卵石。此處海拔3 744 m，地面1.5 m以下就有凍土層分布，每年9月底土層上凍，到次年的5月左右才開化。由于開挖管溝和敷設管道，周邊巖土層受管道溫度影響較大，季節(jié)性凍土層開始融化，坡面融水漫流。融水入滲致使周邊土體呈塑流狀，破壞了土體原有的平衡狀態(tài)，垂直于管道敷設方向出現(xiàn)蠕滑。目前，斜坡體已出現(xiàn)明顯滑動跡象，斜坡前緣呈圓弧狀外凸；原本呈直線狀布設的管溝出現(xiàn)弧狀彎曲，凸向坡外；坡體內(nèi)設置的電線桿已向滑動方向傾斜。從現(xiàn)場調(diào)查來看，滑坡長約120 m，管溝內(nèi)側坡體已向管道外側推移2.5 m，推測滑動面為永凍土與融化土層的分界面，嚴重影響管道安全。結合現(xiàn)場踏勘、竣工資料和衛(wèi)星圖影像判斷，管道與土體蠕滑作用的位置關系如圖 6所示，管道與坡體方向的夾角為73.9°。

為確定管道走向，采用雷迪探測儀和全站儀相結合，實測10處災害點管道的三維坐標信息，相對坐標位置如表 1所示。依據(jù)測點坐標，由冷彎管曲率半徑40 D為基準，復現(xiàn)真實光滑管軸線，并基于此建立管道有限元計算模型，如圖 7所示。

                

采用位移加載的方法，分析管道在位移載荷作用下的受力狀態(tài)。共測得10個位移數(shù)據(jù)，據(jù)此結果使用最小二乘法擬合管段的位移分布，即可描述管道沿線任意一點的土體位移大小。

按照前述坐標體系，將管道的空間位移矢量分解為y方向和z方向，分別進行位移分布擬合，擬合中采用了如式（1）所示的四次位移分布假設，得到管道承受的各方向土體位移分布如圖 8所示。

2 管道受力分析

2.1 管道基本參數(shù)

結合澀寧蘭一線設計資料及現(xiàn)場檢測結果，管道基本參數(shù)見表 2。

2.2 計算模型

采用向量式有限元方法中的管單元和非線性土彈簧單元進行管道受力分析，分析模型模擬在給定地表變形的情況下，管道與土體之間的相互作用，進而確定管道在不同工況下的力學響應[3]。管道受力簡化模型及受力分析模型如圖 9所示。有限元計算模型的坐標系以管道軸向為X軸，順氣流方向為正；以垂直管道軸向且豎直向上為z軸正方向；以垂直管道且水平指向坡外為y軸正方向。

參考GB 50470―2008 《油氣輸送管道線路工程抗震技術規(guī)范》 [4]附錄E中關于土彈簧的規(guī)定，將管道與土體相互作用力用一系列離散非線性土彈簧進行模擬。根據(jù)現(xiàn)場踏勘和管道建設期資料，管周土壤按軟粘土且相關土壤參數(shù)見表 3，管道三向土彈簧參數(shù)見表 4。

                

土體滑坡導致的管道附加應力在設計階段未考慮在內(nèi)，因此進行有限元計算時，僅對管道施加土體位移作用，不施加溫度和內(nèi)流壓力等設計荷載。但是，為準確評估管道安全性，后文在進行管道應力校核時，考慮了內(nèi)流壓力和溫度所導致的管道應力。

2.3 結果分析

計算結果表明，當最大土體位移為1 m時，管道最大軸向應力約為217 MPa，最大壓應力﹣60.7 MPa，下游段承受較大拉應力， X 3截面附近受力最不利， X2截面為反彎點，受力狀態(tài)復雜， X1截面相對安全。

如圖 10所示為管道應力分布。管道為大長細比結構，其受力與變形可分解為水平彎曲、豎向彎曲、軸向拉伸（或壓縮）及扭轉(zhuǎn)變形的組合。由于管道在 側向土體推移作用下主要承受拉（壓）彎組合變形，扭轉(zhuǎn)作用較弱。因此，計算結果不討論管道軸向扭轉(zhuǎn)應力的影響。管道應力由水平彎曲應力、豎向彎曲應力、軸向平均拉伸（或壓縮）應力疊加得到。如圖 11所示，管道在X<100 m區(qū)段主要承受拉彎變形，而在X>100 m區(qū)段則承受壓變變形，這是由管道走向特征和土體位移分布特征決定的。

            

在土體蠕滑位移作用下，管道將發(fā)生軸向、側向和豎向位移，管道變形規(guī)律與土體位移規(guī)律近似，但隨管道受力特征而變。如圖 12所示為管道軸向、側向和垂向位移分布。在X<100 m區(qū)段內(nèi)，軸向位移為正，說明管道在土體位移作用下朝X軸正方向有軸向移動，進而造成X<100 m區(qū)段內(nèi)管道軸向受拉而X>100 m區(qū)段內(nèi)管道軸向受壓。在土體位移作用下管道發(fā)生相應的側向和豎向位移，并造成彎曲應力。如圖 10所示，管道軸向彎曲應力不僅隨位移分布改變，而且與圖 7中管道走向相關。彎曲應力極值處對應于土體剪切作用較大處和管道走向改變處，因此在土體剪切帶和彎管處應重點關注管道彎曲變形情況。

季節(jié)性凍土區(qū)的土體蠕滑現(xiàn)象具有周期性，在每年凍土融化過程中都會有不同程度的位移發(fā)生，隨著年限增加，土體位移可達到較大水平。為評測當前模型中管道可承受的最大土體位移，將土體位移等比例增大至最大2 m，得相應的應力和位移分布。

計算結果顯示，當最大土體位移為2 ｍ時，管道最大軸向拉應力約為329 MPa，最大壓應力﹣18.4 MPa，下游段承受較大拉應力， X3截面附近受力最不利， X2截面為反彎點，受力狀態(tài)復雜， X1截面相對安全。對比土體位移為1 m時的計算結果，管道受力變形規(guī)律保持不變，但應力與位移增大。詳見圖 13―15。

                    

2.4 應力校核

為判斷管道在土體蠕滑作用下的安全狀態(tài)，需要校核管道應力。依據(jù)美國機械工程師協(xié)會ASMEB 31.8―2007和GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》相關規(guī)定[5-6]，分別校核管道軸向拉伸應力和軸向壓縮應力。由于管道應力不僅由季節(jié)性凍土區(qū)斜坡體蠕滑作用引起，同時與溫度和內(nèi)壓密切相關，因此在校核管道軸向應力時必須考慮內(nèi)壓引起的環(huán)向應力、環(huán)向應力引起的軸向泊松應力和管體溫度改變引起的溫度應力。詳情如表 5所示。

依據(jù)規(guī)范[5,6]要求，管道軸向應力和當量應力均不應超過0.9倍屈服應力，即0.9×415 MPa=373.5 MPa。當最大土體位移分別為1 m和2 m時，應力校核過程如下。

土體位移為1 m時管道軸向應力：

 

土體位移為1 m時管道當量應力：

 

土體位移為2 m時管道軸向應力：

 

土體位移為2 m時管道當量應力：

 

校核結果顯示，當土體位移為1 m時，管道軸向應力和當量應力均滿足規(guī)范要求，管道安全；當土體位移為2 m時，管道軸向應力為397.2 MPa，大于許用值373.5 MPa，管道失效。

3 結論

（1）建立了針對季節(jié)性凍土區(qū)斜坡體蠕滑作用下埋地管道應力計算有限元模型。模型考慮了管道的豎向彎曲、水平彎曲和軸向拉伸（壓縮）組合變形，采用非線性土彈簧模擬土體對管道的作用力；其中，土體位移分布的確定結合了實測地表位移和四次位移分布假設。

（2）計算結果顯示，當土體最大位移為1 m時，管道軸向應力和當量應力處于規(guī)范認定的可接受水平；但當土體最大位移達到2 m時，管道軸向應力超過規(guī)范許用值，管道失效。

 

參考文獻：

[1] 陳友昌, 籍程, 黃建忠, 劉暢. 凍土區(qū)埋地油氣管道應變監(jiān)測及預報系統(tǒng)[J]. 中國地質(zhì)災害與防治學報,2011, 22(4): 122-126.

[2] 馮偉, 黃建忠. 滑坡變形對輸氣管道安全的影響分析[J]. 中國地質(zhì)災害與防治學報, 2009, 20(1): 51-54.

[3] 劉俊卿. 基于向量式有限元方法研究地質(zhì)災害作用下埋地管道的力學響應[D]. 中國科學院大學, 2016.

[4] GB/T 50470-2017 油氣輸送管道線路工程抗震技術規(guī)范[S].

[5] GB 50251-2015 輸氣管道工程設計規(guī)范[S].

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

 

作者：張羽翀， 1975年生，工程碩士，中石油西部管道公司蘭州輸氣分公司副經(jīng)理，長期從事管道工程建設運營管理技術工作。