埋地管道的失效機理及其可靠性研究

摘要：

在現代社會中，埋地管道以及成為城市生產生活中—種必不可少的基礎設施。由于大部分的埋地管道都是埋藏在地下，考慮到地下各種復雜環境因素（包括濕度、溫度、壓力等）的影響，埋地管道會出現緩慢的腐蝕失效過程。這顯然會對管道的結構及其功能造成破壞。本文主要對埋地管道的失效機理進行了分析，并就其可靠l生展開的相關研究。

前言

在現代社會中，埋地管道以及成為城市生產生活中一種必不可少的基礎設施。例如，城市生活中的給水、送氣管道，以及工農業生產中的灌溉、排污管道等，都屬于埋地管道。而根據其各自的工作和使用環境要求，埋地管道的材質和結構也各不相同。目前常用的管道材質主要有：鑄鐵、鋼管和塑料。其中，鑄鐵由于具有強度高、抗擠壓變形好、可塑性強等優勢，已經成為供水管材中使用最廣泛的材料。而塑料管材在耐腐蝕性、抗污性、重量及適用性方面具有顯著優勢，已逐漸成為埋地管道中通用的管材。

但是，由于大部分的埋地管道都是埋藏在地下，考慮到地下各種復雜環境因素（包括濕度、溫度、壓力等）的影響，埋地管道會出現緩慢的腐蝕失效過程。如果這一情況沒有得到及時有效的發現和處理，埋地管道就可能出現裂紋和破損，造成管道功能失效。為了盡量延長埋地管道的使用壽命，本文主要對埋地管道的失效機理進行了分析，并就其可靠性展開的相關研究。

1.埋地管道的失效分析

1.1失效原因

造成埋地管道失效的原因有很多，一般來說可以分為兩大類載荷效應和結構抗力。其中，載荷效應主要是指各種直接或間接作用于埋地管道的載荷對管道結構造成的影響。

這些載荷既包括管道自身的負載，如管道內部介質的作用、管道自身的重量，又包含管道受到的外部負荷，如覆土載荷、溫度載荷、地表堆載以及上浮載荷等。這些載荷直接或間接作用于管道，使其發生扭曲變形、結構破壞等。而結構抗力則與載荷效應密切相關。由于載荷效應對管道壁身長期、反復的破壞侵蝕，造成管道材料老化、變形、腐蝕甚至出現裂紋。這進一步造成管道自身的結構抗力下降，強度達不到設計要求。當外部載荷尚未達到管道設計強度時，管身就可能出現失效。

1.2失效階段

和大部分機械產品的壽命周期一樣，埋地管道的失效過程一般也可以分為三個階段：

①初始使用階段（即管道剛埋入3-5年）；

②正常使用階段；

③失效老化階段。在初始使用階段，管道失效的幾率較高。因為在這一階段，管道剛剛被埋入地下，其材質結構、施工布置等能否適應地下的環境要求，還具有不確定性。前期的細微瑕疵或是載荷的突然變化就可能造成管道失效。而到了正常使用階段，管道已經逐漸適應了地下的環境及各種載荷的變化。其性能及結構抗力趨于穩定，因此失效風險較低。但是也應該注意到，這一階段時間較長，載荷效應及結構抗力對管道性能的破壞是緩慢但逐漸累積的。

管道整體是朝著失效的方向發展。當管道進入失效老化階段時，前期的各種損傷已經累積到臨界點。在這種情況下，外部載荷的微小變化就可能造成管道結構出現不可逆的破壞。埋地管道失效的風險大大增加。這時，可以對管道進行維修、加固處理，延長其使用壽命。

1.3失效類型

通過對埋地管道大量失效形式的分析總結，我們發現其失效類型主要有以下三種：環向斷裂、縱向斷裂和接頭損壞。其中環向斷裂是最普遍的一種失效形式，表現為管身環向出現裂紋甚至斷為兩截。這主要是由于管道受到的切向摩擦力、縱向彎曲應力或者是溫差造成的拉伸應力所造成的。而管道的縱向斷裂則主要是由于環向應力（如管道內部載荷、鉛垂方向載荷引起的截面內彎曲應力等）所引起的。另外，管道的接頭損壞也是一種常見的失效形式。當土層的出現不均勻性沉降時，會造成管道接頭出現扭曲。此外環境溫度的不規則變化也容易引起接頭的熱脹冷縮，甚至出現松脫的情況。

2.埋地管道的可靠性研究

通過以上對埋地管道的失效機理的分析可以發現，影響埋地管道使用壽命的因素有很多。因而建立關于埋地管道使用壽命的數學模型需要考慮的參數也有很多，這包括管道材料的性能參數、外部載荷的影響系數以及管道結構抗力隨時間變化的關系等。而且在實際環境中，這些參數還可能發生不確定性的變化。

為此，可以運用統計學隨機分析的方法，對埋地管道在規定時間及條件下的使用可靠性進行研究。通過對正處于工作狀態的埋地管道進行失效隨機分析，可以判斷出管道目前工作的可靠性及其安全狀態。同時，借助相應的可靠性分析模型，可以進一步預測埋地管道未來某一特定時間段的失效風險。進而可以對可能出現的失效提前進行防護或制定好處理措施。這樣，不僅極大的提高了埋地管道的使用壽命，而且也為后期的維護工作帶來了便利。

3.結論

埋地管道已經成為人類社會生產生活中一種必不可少的基礎設施。本文在對埋地管道的失效機理進行詳細分析的基礎上，進一步對其可靠性進行了研究。希望相關研究能對確保埋地管道的安全穩定工作提供幫助。