覆土阻力對挖掘機損傷輸氣管道的動力響應研究

高 旭，姚安林，徐濤龍，付邦穩(wěn)，周立國

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2.中國石化管道儲運有限公司，江蘇 徐州 221008；3.油氣消防四川省重點實驗室，四川 成都 610500；4.中石化大連石油化工研究院，遼寧 大連 113001)

0 引言

隨著經濟的增長和工業(yè)化的快速推進，管道周邊的第三方挖掘施工愈加頻繁，這也致使第三方挖掘施工成為埋地輸氣管道事故的主要原因之一[1]。根據歐洲天然氣管道事故數據小組(EGIG)的事故統(tǒng)計， 2007年至2016年，共發(fā)生208次管道事故，其中第三方干擾占28.37%[2]。據有關統(tǒng)計，我國燃氣管網2009年至2010年發(fā)生突發(fā)事件228次，其中第三方損傷事件153次，占事故總數的67.1%[3]。因此，針對第三方挖掘施工對埋地輸氣管道安全運行影響的研究已經迫在眉睫。

國外學者[4-5]對管道的第三方挖掘施工損傷已經開展了大量研究。歐洲管道研究小組(EPRG)[6-7]針對機械挖掘作用下管道的損傷性狀、凹痕深度以及管道穿刺進行了研究，并建立了數據庫和損傷分析模型；美國Battelle實驗室[8-9]以損傷評價的公式化為目標，采用準靜態(tài)處理方法對機械挖掘作用下的管道損傷情況進行了相關研究。國內學者也開展了相關的管道機械損傷研究，姚安林等[1,10]、徐濤龍等[11-12]將試驗與數值模擬相結合，對挖掘機具作用下埋地輸氣管道的動荷載、動載系數以及極限荷載進行了分析。而目前的研究主要是鏟斗直接作用在裸露管道上，對于鏟斗穿過土層作用在管道上的研究較少。

鑒于此，筆者從工程實際出發(fā)，針對管道上方土層被挖掘部分后，覆土小于鏟斗的挖掘半徑，之后鏟斗穿過土層作用在管道上的工況進行研究。本文借助ADAMS軟件仿真挖掘過程，提取管道所承受的挖掘荷載，結合ABAQUS有限元軟件分析挖掘荷載作用下埋地輸氣管道的動力響應及力學性狀，并分析影響因素對管道動力響應的影響情況，以期為埋地輸氣管道的第三方定量風險評價和安全運行分析提供技術支撐。

1 ADAMS多體動力學仿真

挖掘機具作用下埋地輸氣管道所承受的挖掘荷載主要為鏟斗挖掘力、鏟斗慣性力、液壓沖擊引起的瞬息力以及土壤阻力等幾組力的綜合，其中，鏟斗挖掘力還分為鏟斗油缸驅動、斗桿油缸驅動以及復合驅動(鏟斗油缸和斗桿油缸同時作用)。挖掘機的主要尺寸參數如表1所示。

表1 挖掘機主要尺寸參數Table 1 Main dimension parameters of excavator

1.1 ADAMS仿真模型建立

借助ADAMS多體動力學軟件，根據實際工程尺寸建立仿真模型。模型主要包括挖掘機、管道及土體3部分，其中，挖掘機首先采用Pro/E軟件建立，再將其導入到ADAMS軟件獲得挖掘機虛擬樣機；在挖掘機虛擬樣機的基礎上運用ADAMS/View建立管道及土體模型。三部分模型確定后，可依據工況的需要調整各部分的位置及尺寸。此次研究主要選擇20 t挖掘機和32 t挖掘機進行仿真模擬，由于這2組模型基本相同，因此只展示20 t挖掘機作用時的仿真模型，仿真模型如圖1所示。

圖1 ADAMS仿真模型Fig.1 ADAMS simulation model

1.2 材料屬性

ADAMS仿真模型建立完成后，對各部分模型進行材料屬性定義，如表2所示。

表2 模型材料參數Table 2 Model material parameters

1.3 約束參數

由Pro/E軟件組建的模型在導入到ADAMS后，各個零件之間仍相互獨立的存在于ADAMS環(huán)境中，并未組成1個可以連動的系統(tǒng)，還需通過添加約束將各零件裝配起來。根據實際挖掘機的運動機制和特性，模型中設置了固定副、移動副、點面副、轉動副4類約束。

1.4 接觸參數

在仿真模型中建立了2個接觸，一是土體與管道之間的接觸，另一個是鏟斗與管道(或土體)之間的接觸。考慮到鏟斗和管道可能會發(fā)生撞擊現象及回彈特性，接觸參數采用沖擊函數的方式來定義。模型中的主要接觸參數參考文獻[13]設置，如表3所示。

表3 接觸參數設置Table 3 Contact parameter setting

2 仿真模型運算

2.1 模型驗證

斗桿油缸單獨作用時，考慮了斗桿和斗尖在同一條直線和不在同一條直線上2種情況。斗桿和斗尖在同一條直線上時，考慮不同挖掘高度，設置了D-1，D-2，D-3等3種挖掘工況，如圖2(a)所示。斗桿和斗尖不在同一條直線上時，考慮斗桿和斗尖之間的不同夾角設置了D-2，D-21和D-22等3種挖掘工況，與斗桿和斗尖在同一條直線時的夾角分別于-15°，0°和15°，如圖2(b)所示。鏟斗油缸單獨作用時，考慮了鏟斗的不同轉動角度設置了C-1，C-2和C-3等3種挖掘工況，相鄰兩工況之間的夾角為15°，如圖2(c)所示。在整個模型的驗證過程中，計算覆土厚度分別為0.1，0.2和0.3 m時管道的受力情況，共24組驗證數據。

圖2 挖掘工況簡圖Fig.2 Excavation working condition diagram

以下通過將理論公式計算值和模型運算結果對比的方式進行模型驗證。鏟斗的理論挖掘力參考文獻[14]中的理論公式進行計算；鏟斗慣性力以及液壓沖擊引起的瞬息力參考文獻[1]中的理論公式進行計算；土壤阻力參考文獻[15]中的公式進行計算。模型驗證結果如圖3所示。斗桿油缸單獨作用下模型誤差范圍為4.39%～10.37%，鏟斗油缸單獨作用下模型誤差范圍為5.22%～8.74%。對比結果表明，模型中選用的參數、設置的約束條件以及摩擦參數是合理的，因此，可采用ADAMS軟件獲取埋地輸氣管道所承受的挖掘荷載。

圖3 模型驗證對比Fig.3 Comparison diagram of model validation

2.2 挖掘荷載提取

借助ADAMS軟件分別針對20 t和32t挖掘機進行仿真運算，選定管道上方覆土為0.3 m，提取管道所承受的挖掘荷載，如圖4所示。鏟斗油缸單獨驅動時，選擇工況C-3設置模型，斗尖在0.8 s附件接觸到土壤，管道開始受挖掘荷載；在0.9 s時，鏟斗穿過土層作用在管道上，管道受力瞬間達到最大值，如圖4(a)所示。同時，考慮覆土厚度的影響，分別提取了0.1，0.2和0.3 m覆土下的挖掘荷載，如圖4(b)所示。斗桿油缸單獨驅動時，選擇工況D-3設置模型，斗尖在0.6 s附近接觸到土壤，管道承受挖掘荷載；在0.7 s時，鏟斗穿過土層作用在管道上，管道受力瞬間達到最大值，如圖4(c)所示。復合挖掘時，斗尖在1 s附近接觸到土壤，管道開始受挖掘荷載；在1.1 s時，鏟斗穿過土層作用在管道上，管道受力瞬間達到最大值，如圖4(d)所示。

在工程實際中，管道造成的機械挖掘會有單齒作用和五齒作用2種情況，因此，針對這2種情況設置相應的工況進行運算。由圖4可知，單齒作用相比于五齒作用，對管道造成的挖掘荷載更大，這主要是因為單齒作用的受力更集中。通過對比可得，單齒作用下的峰值挖掘荷載是五齒作用的1.3～1.9倍。

圖4 管道承受挖掘荷載時程Fig.4 Time history curve of pipeline under excavation load

3 埋地管道的有限元分析

3.1 有限元模型

模型中假設土體均勻連續(xù)，各向同性，土壤作為彈塑性材料，則在鏟斗挖掘土體的過程可以簡化為一個半無限體受沖擊荷載作用[16]。土壤模型選用常用的庫倫模型。考慮鏟斗作用在管道的正上方，管道半徑為R，管道上方覆土厚度為h，建立的有限元模型如圖5所示。

本文選擇行業(yè)中較為認可的Driver模型進行驗證，計算公式[17]為：

(1)

式中：F為管道可以承受的極限挖掘力，N；σs為管道的抗拉強度，MPa；D為管道直徑，mm；t為管道壁厚，mm；L為斗齒的長度，mm；W為斗齒的寬度，mm。

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

選擇某在役管線的運行參數作為基礎參數進行模型驗證，驗證結果如圖6所示。管道運行內壓為10 MPa，管材為X70，密度為7 850 kg/m3，直徑為1 016 mm，壁厚為14.7 mm。在抗拉強度585 MPa時,模擬計算結果為528.957 kN，理論計算結果為583.644 kN，兩者的誤差為9.37%，處于可接受的范圍內，表明模型所選用的參數和邊界條件是可行的，可用于進一步的數值模擬。

圖6 有限元模型驗證Fig.6 Finite element model validation

3.2 計算結果及分析

將2.2節(jié)中所得的挖掘荷載導入到有限元模型中，進行動力響應分析。運算結束后，在后處理中提取鏟斗油缸單獨作用時不同覆土厚度下管道的最大Mises應力云圖，如圖7所示。由圖7可知，相同驅動方式、相同的管道運行工況下，覆土0.3 m下管道的最大Mises應力要比覆土0.1 m下的小39.5 MPa。

圖7 管道應力云圖Fig.7 Pipeline stress cloud map

為了研究挖掘荷載作用下埋地輸氣管道的動力響應變化過程，選擇圖7(a)中的挖掘情況給出詳細分析。提取管道受力最大處橫截面上8個節(jié)點單元的位移時程曲線，如圖8所示。

圖8 最大應力截面上各單元的位移時程Fig.8 The displacement time history curve of each element on the maximum stress cross section

由圖8可知，整個挖掘過程中位移變化可以分為幾個時間段：第1個時間段，鏟斗還未接觸到土層，管道受土壤相互作用和內壓的作用，導致管道有輕微的位移；第2個時間段，鏟斗穿過土壤直至撞擊到管道上(未挖破)，由于挖掘荷載的作用，管道上各單元急劇向下發(fā)生位移；第3個時間段，鏟斗撞擊到管道后出現“剛體撞擊現象”，管道位移出現一定程度的回彈；第4個時間段，鏟斗第2次撞擊到管道然后再次出現“剛體撞擊現象”，這一時段，管道位移先是增大然后回彈，最終穩(wěn)定下來。在0.8 s附近時，鏟斗第1次挖掘到管道，管道受力達到最大值，同時位移達到最大值，最大值點位于與鏟斗的接觸點處。總體而言，管道上半部的位移量要大于下半部分的位移量。

為了分析挖掘荷載作用下埋地輸氣管道的力學特性，取管道受力最大點處的橫截面上的單元，分別繪出管道的應力和位移的變化示意圖，如圖9所示。由圖9可知，挖掘載荷作用于管道時，與鏟斗接觸處的管道單元(在0°位置的單元)各項力學特征的數值均為最大，此位置為管道最易受損點，且越靠近0°位置的單元的力學特性數值越大；管道底部的單元(在180°位置的單元)受力最小，且越靠近180°位置的單元的力學特性數值越小。以0°位置所在單元的豎軸線為中軸線，管道兩側單元的應力及位移的數值大致相同，呈對稱狀態(tài)，在-45°～<45°，-180°～<-135°以及135°～<180°區(qū)間范圍內，各項力學特征變化較為平緩，在-135°～<-45°以及45°～<135°區(qū)間范圍內各項力學特征變化較為劇烈。同時，對比有無覆土2種情況可以得出，相同挖掘工況作用下，管道上方有0.3 m覆土時的管道的最大Mises應力要比無覆土時的小約小51.3 MPa，位移量約小0.002 8 m，表明覆土可以明顯的削弱挖掘荷載，減緩管道力學特征的變化量。

圖9 管道最大受力橫截面的力學特征變化示意Fig.9 Schematic diagram of the change of mechanical characteristics of the cross section of the pipe under maximum stress

基于有限元模擬結果，確定挖掘荷載作用下管道Mises應力與管道上方覆土厚度的關系，并擬合得到管道應力曲線函數，如圖10所示。由圖10可知，挖掘荷載作用下埋地輸氣管道的Mises應力隨著覆土厚度的增大而減小，且在覆土厚度變化量相同的情況下，覆土越深管道的Mises應力的變化量越小；相同挖掘工況下，32 t挖掘機對管道造成的影響要遠大于20 t挖掘機所帶來的影響。覆土對管道的安全運行起著至關重要的作用，同時，挖掘機噸位也是影響管道安全運行的重要因素。

圖10 覆土厚度與管道Mises應力關系Fig.10 Diagram of relationship between overburden thickness and Mises stress of pipeline

4 結論

1)借助ADAMS多體動力學仿真軟件，在合理考慮管道與土壤、鏟斗與土壤、鏟斗與管道之間相互作用，挖掘機本身的約束，油缸驅動等參數的情況下，可以有效的仿真出整個挖掘過程，獲取的挖掘荷載與工程實際相接近。同一噸位的挖掘機，單齒作用下的管道承受挖掘荷載的峰值是五齒作用的1.3～1.9倍，表明單齒作用在管道上所造成的損傷要大于五齒作用。

2)挖掘載荷作用于管道時，與鏟斗接觸處的管道單元(在0°位置的單元)各項力學特征的數值均為最大，管道底部的單元(在180°位置的單元)受力最小；以0°位置所在豎軸線為中軸線，管道兩側單元的應力及位移的數值大致相等，呈對稱狀態(tài)。

3)在相同挖掘工況下，埋地輸氣管道的Mises應力隨著覆土厚度的增大而減小，且在覆土厚度變化量相同的情況下，覆土越厚管道的Mises應力的變化量越小。由此表明覆土對管道的安全運行起著至關重要的保護作用。