沿海地區非均勻沉降下閥室管道安全運行研究

□ 馮 毅 □ 鄒志豪 □ 馬小明

華南理工大學 機械與汽車工程學院 廣州 510640

1 研究背景

天然氣運輸是天然氣工業的一項重要活動,管道運輸是輸送大量天然氣最經濟的方式。據統計,每185起涉及天然氣的事故中,管道事故占127起[1]。我國沿海區域地下受大氣降水、地下水補給、徑流、蒸發、挖排影響,加之閥室的建設,改變了降雨對地下水的補給條件,地基產生了次生沉降[2]。埋地管道在地基沉降作用下應力狀態產生變化,是埋地管道與管周土壤的相互作用結果[3]。沉降應力是影響閥室埋地管道安全的一個重要因素,因此進行閥室管道沉降防護技術研究,可以有效保證管道的安全運行。

Elachachi等[4]基于地質統計學對土壤空間變異性的描述,建立管土相互作用模型,研究巖層空間變異性和不均勻性對埋地管道破壞的影響。Limura[5]針對裸露、埋地、交匯三段管道分別建立模型,使變形協調在管道交匯位置,結果與實際管道應力測量值較為吻合,證明了模型的有效性。朱慶杰等[6]通過構建土地-斷層-管道破壞的有限元模型,分析埋地管道破壞的主要原因,依據計算結果,得出埋管深度與管道破壞的變化規律。張一楠等[7]建立跨越段管道與埋土間相互作用的模型,使用該模型探討跨越結構角度、土體沉降與管道應力之間的關系。Kouretzis等[8]對土壤沉降變形的特征進行理論分析,結合土壤沉降變形及變形后土壤地基隆起的特點,構建埋地管道力學分析模型。

以上學者對埋地管道的不均勻沉降行為進行了大量研究,但所建立的模型并不完全適用于閥室管道,不能作為管道防護的基礎。為保證閥室管道的安全運行,筆者應用ANSYS軟件建立珠海高欄港某天然氣管線閥室受非均勻沉降作用有限元分析模型,通過計算建立沉降量與最大等效應力之間的映射關系,預測管道發生失效破壞時的極限沉降量,以此作為管道實時監測的理論依據。在研究中還分析了管道內壓、管道內徑、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比等因素對管道應力狀態的影響,研究結果可以為沿海地區天然氣管道受非均勻沉降作用時的安全運行提供參考。

2 基于應力的失效判斷準則

管道失效指管道受外界載荷作用而產生的應力或應變超過自身許用極限。通過對管道承受載荷和力學特性進行分析,可以確定管道發生失效時的臨界應力和應變[9-10]。目前,通常使用基于應力的失效判據作為管道失效判斷準則,即在正常操作條件下,管道產生的最大應力不超過屈服應力。

管道的強度校核一般同時滿足兩個條件。

(1) 環向應力條件。環向應力條件指管道在正常運行條件下產生的環向應力小于管道的許用應力,即:

σh<[σ]=φσσs

(1)

式中:σh為管道環向應力;[σ]為管道許用應力;φσ為設計因子;σs為管道屈服強度。

(2) 組合應力條件。埋地管道的受力十分復雜,常處于三向應力狀態。根據畸變能密度準則,工程中常采用等效應力屈服條件進行強度校核,表達式為:

<[σ]

(2)

式中:σVonMises為等效應力;σ1、σ2、σ3依次為第一、第二、第三主應力。

按照國標GB 50251—2015《輸油管道工程設計規范》[11],使用組合應力進行失效判斷時,組合應力條件中設計因子的值取為0.8。筆者研究閥室管道材料為L450M天然氣輸送專用材料,材料的最低屈服強度為450 MPa,因此管道的許用應力[σ]為360 MPa。

3 數值模擬

3.1 材料特性

進行管道、土體有限元分析時,埋土通常選擇使用Drucker-Prager材料。該材料采用黏聚力、膨脹角、內摩擦角進行性能表征?，F場閥室管道為鋼質壓力管道,其拉伸過程與低碳鋼類似,整個過程可以分為彈性、屈服、強化、頸縮四個階段。選擇Ramber-Osgood模型管道本構關系模型。閥室管道材料基本參數見表1,土體材料基本參數見表2。

表1 閥室管道材料基本參數

表2 土體材料基本參數

3.2 有限元模型

根據管道實測數據,使用SolidWorks軟件對管道、土體進行建模,并導入ANSYS軟件,然后將模型劃分為133 816個節點、834 893個網格。土體底部設置為固定約束,土體四側均添加軸向約束。模型長度方向的側面添加三個方向的位移約束,模型前后兩面只添加X方向的位移約束,模型底部添加固定約束,管道兩端均添加X、Y方向的位移約束。管道有限元分析模型如圖1所示,計算中暫不考慮溫度變化、初始應力及外界振動等因素對管道應力的影響。

▲圖1 管道有限元分析模型

3.3 結果

由于填海區域內地基土質較軟,場地發生非均勻沉降,導致鋪設的管道也發生較為復雜的變形。埋地管道在土體壓力的作用下,不同位置產生不同程度的變形。隨著沉降量的增大,管道應力也不斷增大。為了確定監測時管道的極限沉降量,分別計算沉降量為10 mm、30 mm、50 mm、80 mm、100 mm、125 mm、150 mm時管道的最大等效應力,結果見表3。

表3 管道最大等效應力

由表3可以看出,管道沉降量與最大等效應力基本呈線性關系,即最大等效應力隨沉降量的增大而增大。當沉降量達到125 mm時,最大等效應力為358.4 MPa,接近管道的許用應力。因此,若以許用應力作為管道失效破壞的標準,在進行閥室管道實時沉降監測時,極限沉降量不應大于125 mm。多次模擬結果顯示,埋地三通是埋地管道最大等效應力產生的位置,因此埋地三通附近區域管道是應力監測的重點部位。

4 影響因素分析

為了進一步了解埋地管道在非均勻沉降作用下的應力變化,合理進行管道監測,提供行之有效的防護措施,分析管道內壓、管道內徑、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比等因素對管道應力的影響程度。分析時,采用控制變量法,在ANSYS軟件中計算管道的最大等效應力。

4.1 管道內壓

影響管道應力的主要因素是管道內壓。經現場實測,管道平均內壓為6.66 MPa。為了更好地研究管道內壓與管道最大等效應力的關系,設管道內壓為1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa,保持管道內徑、管道壁厚、填埋濃度、土壤泊松比不變,分別進行有限元分析,得到不同管道內壓下的最大等效應力,如圖2所示。

▲圖2 不同管道內壓下最大等效應力

由圖2可以看出,當管道內徑、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比保持不變時,隨著管道內壓的增大,管道的最大等效應力也增大,因此最大等效應力受管道內壓的影響較大。

4.2 管道內徑

隨著對天然氣需求的增長,管道工程建設趨向大口徑。為了研究管道內徑對非均勻沉降管道最大等效應力的影響,對600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm共五種管道內徑進行分析對比,結果如圖3所示。

▲圖3 不同管道內徑下最大等效應力

由圖3可以看出,當管道內壓、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比保持不變時,隨著管道內徑的增大,管道的最大等效應力也增大,不過增大幅度會逐漸減小。當管道內徑達到1 000 mm時,最大等效應力為274.15 MPa,比小管道內徑更接近管道的屈服強度。因此,大口徑管道在工程中的應力監測必不可少。

4.3 管道壁厚

管道壁厚會影響管道的抗變形能力,從而影響管道應力。為了研究管道壁厚對管道最大等效應力的影響,分別設置管道壁厚為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm,保持其它條件不變,進行有限元分析,結果如圖4所示。

▲圖4 不同管道壁厚下最大等效應力

由圖4可以看出,當管道內壓、管道內徑、埋深、土壤泊松比保持不變時,管道壁厚與管道的最大等效應力成反比,即管道壁厚越大,管道的最大等效應力越小,應力減小幅度較穩定。當管道壁厚增大時,管道的剛度會增大,管道的抗變形能力會提高,因此管道壁厚與管道最大等效應力成反比。由此可見,在管道工程中,要注意可能導致管道壁厚減小的外部因素,如腐蝕等,從而防止因管道壁厚減小造成管道失效。

4.4 填埋深度

載荷作用在管道上的作用力會因為填埋深度的改變而不同,為了研究埋填深度與管道最大等效應力的關系,在其它條件相同的情況下,對填埋深度為1 000 mm、1 500 mm、2 000 mm、2 500 mm、3 000 mm共五種情況進行有限元分析,結果如圖5所示。

▲圖5 不同填埋深度下最大等效應力

由圖5可以看出,當管道內壓、管道內徑、管道壁厚、土壤泊松比保持不變時,隨著填埋深度的增大,管道的最大等效應力也增大,增大幅度較小。因此,在管道工程中,為了減小管道應力,敷設管道時應選用淺埋方式。

4.5 土壤泊松比

土壤泊松比是土壤橫向應變與豎向應變的比值,與土壤性質有關。設置土壤泊松比分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5,保持其它條件不變,進行有限元分析,結果如圖6所示。

▲圖6 不同土壤泊松比下最大等效應力

由圖6可以看出,當管道內壓、管道內徑、管道壁厚、填埋深度保持不變時,隨著土壤泊松比的增大,管道的最大等效應力減小,減小幅度較小。由此可見,在管道工程中,土壤泊松比對管道最大等效應力的影響較小。

5 管道安全運行建議

不同環境條件會影響天然氣管道的安全運行,對于我國沿海多降雨地區的閥室管道,筆者提出安全運行建議。

施工前地基處理時,將施工區域部分軟土地基挖除,隨后用砂石和灰土等材質穩定、無腐蝕性的材料進行填實。

管道防腐蝕時,用瀝青漆涂料、過氧乙烯涂料和環氧樹脂防腐涂料等提高管道的防腐蝕性能,將管道作為被保護的陰極,并采用犧牲陽極和外加電流等保護措施。

管道運行維護時,完善管道的監測網絡,全面、及時跟蹤管道應力狀態,并根據反饋信息選擇防范控制措施,避免閥室管道因非均勻沉降作用產生破壞,導致安全事故發生。

6 結束語

通過閥室管道有限元分析,得到了沉降量與管道最大等效應力之間的關系,即管道最大等效應力隨沉降量的增大而增大。以許用應力作為管道失效破壞的標準,對閥室天然氣管道進行實時沉降監測時,極限沉降量不應大于125 mm。

管道內壓、管道內徑、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比均對管道的應力狀態有一定影響,降低管道內壓,減小管道內徑,增大管道壁厚,選擇泊松比大的填埋材料,均可減小不均勻沉降時管道的最大等效應力。其中,管道內壓、填埋深度的變化對管道應力狀態的影響不大,而管道內徑、管道壁厚的變化則會對管道應力狀態產生較大影響。

預防非均勻沉降作用,需要對閥室天然氣管道從施工和運營兩個方面入手,關鍵是做好閥室管道沉降和應力監測,并及時對監測信息進行處理。