淺談山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道強(qiáng)度研究

黃剛（中石化管道儲運(yùn)有限公司聊城輸油處，山東 聊城 252000）

管道輸運(yùn)是重要的運(yùn)輸方式之一，同時埋地管道以成為長距離輸送原油、天然氣等介質(zhì)的重要舉措，但隨著管道鋪設(shè)量的逐漸增加，長輸埋地管道需要穿越各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，但考慮到地域地形的多變性，埋地管道不可避免的會遭受到地質(zhì)災(zāi)害所帶來的潛在威脅，，山體滑坡同樣是引起埋地管道失效的重要原因，如何有效的預(yù)測山體滑坡作用下埋地管道的承載力已被眾多學(xué)者予以廣泛關(guān)注。

1 山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道強(qiáng)度研究現(xiàn)狀

目前，部分學(xué)者已經(jīng)開始對于山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道強(qiáng)度失效的問題進(jìn)行了深入的研究工作，但主要是集中于斷層作用下，對于山體滑坡作用下的這一誘因的研究相對較少。同時部分開展的研究分析都沒有全方位的考慮幾何、和接觸的非線性，難以準(zhǔn)確的預(yù)測偏移后管道應(yīng)變軟化階段的承載能力。[1]雖對管道材料應(yīng)變軟化階段的力學(xué)響應(yīng)做過研究，但如果想要更深入的探討在山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道強(qiáng)度的強(qiáng)度失效機(jī)理，對發(fā)生偏移后管道上所發(fā)生的裂縫從萌生到斷裂的整個過程的全面描述是具有十分重要的價值意義的。[1]國外目前對于該領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有較為完善的經(jīng)驗(yàn)，但目前我國的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)工作還基本處于空白階段，急需建立起符合國情的安全評價方法，以此來為今后管道從設(shè)計到制造，從檢驗(yàn)到風(fēng)險評估，都能有一個十分完善的技術(shù)支持。

2 山體滑坡作用下埋地管道承載能力分析

本文通過假設(shè)焊縫力學(xué)性能與管道木材相同，且土體的力學(xué)基本性能為線彈性，同時在山體滑坡的過程中，管道與周圍的土體偏移方向是沿著軸線方向呈多項式的分布。選用X65鋼和X100鋼來作為使用材料，應(yīng)變曲線如圖2-1所示。依據(jù)土體的性能取粘土層的基本參數(shù)，將變形模量設(shè)定為28MPa，泊松比設(shè)定為0.45。在計算中選取的管道直徑為813mm，其設(shè)計壓力為6.3mPa。同時在山體滑坡過程中，土體是推動著管道同時進(jìn)行運(yùn)動。由于管道和周圍的土體會受到十分復(fù)雜的外力作用，基本很難用簡單的彎曲和剪切力來表示，所以對于有限元分析時滑坡作用力將采用位移載荷來進(jìn)行有效控制。

為了更好的驗(yàn)證有限元模型的有效性，不同有限元模型條件下的管道偏移的預(yù)測結(jié)果，本文采用非線性的穩(wěn)定算法來進(jìn)行計算，如圖2-2所示。

結(jié)果表明，當(dāng)有限元模型的預(yù)測結(jié)果不隨著網(wǎng)格密度的增加而出現(xiàn)變化時，那么就表明當(dāng)前的有限元網(wǎng)格密度能準(zhǔn)確的反映出模擬埋地管道在山體滑坡區(qū)域作用下的變形過程。但管道由于受到了周圍土體的推動作用而相應(yīng)的產(chǎn)生了沿軸線方向的偏移，致使周圍的土體會對導(dǎo)管產(chǎn)生附加的作用力，同時管道將會在特定的山體滑坡區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生應(yīng)力。對管道在山體滑坡區(qū)域內(nèi)作用下的實(shí)效過程可以將表述為：山體滑坡作用促使管道與周圍土體發(fā)生了不均勻性的偏移，同時在變形的過程中導(dǎo)致了管道的具體出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力，隨著偏移程度的不斷加劇，應(yīng)力的效益將會越來越顯著，最終致使應(yīng)力超過管道材料的極限承載荷，導(dǎo)致管道失效。

一般埋地管道的最終失效的極限偏移會跟隨著滑坡區(qū)的寬度而增加，隨著內(nèi)壓的增加而逐漸減少。但同時管道的極限偏移會隨著內(nèi)壓的增加而呈現(xiàn)出對數(shù)衰減趨勢，這充分說明管道在發(fā)生小度偏移時，其承載能力的下降不明顯。如在內(nèi)壓小于設(shè)計壓力時，管道上的最大主應(yīng)變只會與土體和材料有緊密關(guān)系，應(yīng)將其作為工程采用應(yīng)變的重要依據(jù)。

非線性穩(wěn)定算法的計算效率較高，能夠清晰的描述出管道上裂縫萌生至斷裂的工程，技能滿足較好的數(shù)值穩(wěn)定性，又能保證較高的計算效率。[3]因此，在對山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道的強(qiáng)度分析，可以采用該算法來作為數(shù)據(jù)支持。同時XFEM的預(yù)測方法，也能很好的預(yù)測地管道發(fā)生失效時的極限偏移結(jié)果。

3 結(jié)語

總之，由于各地區(qū)的土地性能千差萬別，目前還上文形成一套統(tǒng)一的理論依據(jù)來對各地土體力學(xué)行為進(jìn)行準(zhǔn)確的反映。而本文的分析只是建立在原有的文獻(xiàn)資料之上，各方面的探討有所欠缺，粗淺不一。為了能夠更好的對土體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道的強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，還需大量的后續(xù)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和具體的實(shí)例研究，來深度完善相關(guān)資料的缺失，推動土體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道的強(qiáng)度研究的進(jìn)一步深入發(fā)展。

[1]李又綠,徐文彬,陳華燕等.滾石沖擊作用下埋地高壓輸氣管道的可靠性分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012,08(4):29-33.

[2]閆東東.埋地原油腐蝕管道的剩余強(qiáng)度評價[J].電子測試,2014,(4):158-160.