水毀作用下管道有限元模擬及計(jì)算分析

張 翼

中石油貴州天然氣管網(wǎng)有限公司 貴州 貴陽(yáng) 550023

1 引言

管道水毀災(zāi)害是長(zhǎng)輸管線中發(fā)生次數(shù)最多且分布地區(qū)最普遍的地質(zhì)災(zāi)害。埋地管道產(chǎn)生懸空的主要原因是由于土體中水的作用或表面徑流的沖擊，從而導(dǎo)致表面覆土流失，而穿越河流的管道，則可能由于河流流速或方向的改變，導(dǎo)致其覆土缺失，產(chǎn)生懸空管道。由于水毀導(dǎo)致的管道懸空具有可預(yù)測(cè)、可加固以及可保護(hù)的特點(diǎn)，故研究水毀導(dǎo)致的管道懸空對(duì)管道維護(hù)工作具有指導(dǎo)作用且具有代表性。

2 管道有限元模擬分析

本文使用ANSYS對(duì)管道進(jìn)行有限元分析。建模采用SOLID185單元模擬土體，土體本構(gòu)模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，土體參數(shù)為彈性模量3.2 5*107Pa，泊松比0.4 ，內(nèi)聚力50000Pa，密度密度2000kg/m3，摩擦角20°。

采用SHELL181單元模擬管道，采用非線性面-面接觸模型模擬管-土相互作用，其中目標(biāo)面單元采用TARGE170單元，接觸面單元采用CONTA174單元。管材物理力學(xué)性質(zhì)為管材型號(hào)為X80，密度7850 kg/m3，彈性模量207GPa，泊松比0.3 ，σ1為544MPa，E2為6210MPa，屈服強(qiáng)度555-675MPa。

天然氣管道外徑1016mm，壁厚15.3 mm，按設(shè)計(jì)壓力10MPa輸氣，輸氣時(shí)氣的質(zhì)量按計(jì)算得來的等效密度考慮到管道上，天然氣密度取85kg/m3。

災(zāi)害體主要沿垂直于管軸方向發(fā)展，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后形成。橫向懸管管道水平，兩端有土體，中部懸空，土體長(zhǎng)度取為懸空管道長(zhǎng)度一半。考慮到對(duì)稱性，只建立一半模型。土體上表面和懸空自由面不約束，底面全約束，其他面除豎向位移外均約束。管道懸空中部對(duì)稱約束，另一端只約束軸向。

2.1 完全懸空

彈性極限懸空長(zhǎng)度下的計(jì)算結(jié)果：懸空長(zhǎng)度280m，最大von Mises應(yīng)力535MPa，最大應(yīng)變0.0 02667，最大豎向位移8.2 231m。

2.2 承受均布荷載

取覆土厚度2.5 m、2m、1.5 m、1m和0.5 m，達(dá)到彈性極限懸空長(zhǎng)度時(shí)的計(jì)算結(jié)果如下。

在懸空長(zhǎng)度較短時(shí)，相比于懸空，覆土均布?jí)毫κ怯绊懝艿朗芰妥冃蔚闹饕蛩兀藭r(shí)管道的最大von Mises應(yīng)力和最大應(yīng)變均位于懸空段中部上表面。而隨著懸空長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，懸空則慢慢起到主導(dǎo)作用，最大位移則始終位于管道懸空段中部，也是豎向位移。

2.3 橫向懸管承受水流沖擊

管道在懸空且承受不同流速水流沖擊下達(dá)到彈性極限狀態(tài)時(shí)的計(jì)算結(jié)果如下。

隨著水流流速的增加，管道的最大von Mises應(yīng)力、最大應(yīng)變和最大位移均在增加。水流流速較低時(shí)（3m/s），該懸空長(zhǎng)度下管道的應(yīng)力水平很低，即低流速水流對(duì)懸空管道的沖擊影響很小。水流流速15m/s時(shí)管道的最大von Mises應(yīng)力為551MPa，沒有超過管材最低屈服強(qiáng)度。隨著流速的不斷增加，管道所能承受的彈性極限懸空長(zhǎng)度越來越小。

3 水毀作用下橫向懸管受力及計(jì)算分析

3.1 完全懸空

（1）懸空管段受力模型

水毀災(zāi)害引起埋地管道的懸空管段可看作懸垂跨越管道，懸空管段兩端土壤受一個(gè)橫向的拉力H，管道內(nèi)輸送介質(zhì)和自重單位載荷q造成管道下垂，下垂高度為f。

圖1 懸空管段受力模型

（2）計(jì)算分析

天然氣管道的管材型號(hào)為X80，彈性模量E為207GPa，屈服強(qiáng)度為555MPa；管道管外徑D為1016mm，壁厚t有兩種分別為15.3 mm和18.4 mm；管道內(nèi)天然氣的密度約為85kg／m3。因此可以計(jì)算出壁厚15.3 mm時(shí)管道的重量產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度上的重力qP為3700.3 N／m，管道輸氣時(shí)的重力qP，0為6241.4 N／m；壁厚18.4 mm時(shí)管道的重量產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度上的重力qP為4436.3 N／m，管道輸氣時(shí)的重力qP，0為6945.5 N／m。

取懸空段長(zhǎng)度L為280m，懸空深度為8m。計(jì)算輸氣工況時(shí)的受力分析。代入數(shù)值后求得壁厚為15.3 mm時(shí)，I為0.0 0602kg/m2；壁厚為18.4 mm時(shí)，I為0.0 0717kg/m2。

綜上，采用反復(fù)漸進(jìn)計(jì)算方法計(jì)算出壁厚為15.3 mm時(shí)，上述懸空管段兩端的拉力H為1789.4 kN，則拉應(yīng)力σ為551.8 MPa；壁厚為18.4 mm時(shí)，上述懸空管段兩端的拉力H為1943.4 kN，則拉應(yīng)力σ為599.3 MPa。通過對(duì)相同管徑，不同壁厚的管道應(yīng)力進(jìn)行試算的結(jié)果可以看出隨著壁厚的增加，懸空管段兩端的拉應(yīng)力也逐漸增加，壁厚為15.3 mm時(shí)，拉應(yīng)力未超過屈服強(qiáng)度，而壁厚為18.4 mm時(shí)拉應(yīng)力為599.3 MPa，已經(jīng)超過屈服強(qiáng)度，故當(dāng)懸空段長(zhǎng)度為280m時(shí)，壁厚為15.3 mm的鋼管可以承受其拉應(yīng)力，而壁厚為18.4 mm的鋼管則有較高風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 承受均布荷載

可見，隨著覆土厚度的增加，管道單位長(zhǎng)度載荷不斷增加，其所能承受的最大懸空管道長(zhǎng)度則逐漸減少。

3.3 橫向懸管承受水流沖擊

在水流的作用下，水下管道會(huì)產(chǎn)生懸空段。受水流沖擊時(shí)管道最大懸空長(zhǎng)度Lcr計(jì)算公式如下：

式中：fn為懸空管段自振頻率，Hz；K為不同端點(diǎn)約束情況的系數(shù)；EI為管跨剛度，m；ms為管跨單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，它由管道自身的質(zhì)量m1、管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量m2組成。

3.3 .1 壁厚對(duì)管道最大允許懸空長(zhǎng)度的影響

以管徑813mm為例，計(jì)算不同壁厚情況下，不同水流速度下管道能夠允許的最大懸空長(zhǎng)度，計(jì)算結(jié)果如下。

根據(jù)計(jì)算可知，管道壁厚相同時(shí)，隨著流速的增加，管道所能承受的最大懸空長(zhǎng)度逐漸減少；水流流速相同時(shí)，隨著壁厚的增加，管道所能承受的最大懸空長(zhǎng)度逐漸增加；當(dāng)流速、壁厚均相同時(shí)，輸氣工況下管道所能承受的最大懸空長(zhǎng)度均小于未輸氣工況；壁厚對(duì)管道最大懸空長(zhǎng)度的影響較小。

3.3 .2 管徑對(duì)管道最大允許懸空長(zhǎng)度的影響

以壁厚8mm為例，計(jì)算管徑不同時(shí)，不同水流速度下管道能夠允許的最大懸空長(zhǎng)度，計(jì)算結(jié)果如下。

綜上可知：管道管徑相同時(shí)，隨著流速的增加，管道所能承受的最大懸空長(zhǎng)度逐漸減少；水流流速相同時(shí)，隨著管徑的增加，管道所能承受的最大懸空長(zhǎng)度逐漸增加；當(dāng)流速、管徑均相同時(shí)，輸氣工況下管道所能承受的最大懸空長(zhǎng)度均小于未輸氣工況；管徑對(duì)管道最大懸空長(zhǎng)度的影響要大于壁厚對(duì)其的影響。

通過對(duì)橫向懸管的最大懸空長(zhǎng)度的理論計(jì)算，得出以下主要結(jié)論：（1）壁厚對(duì)橫向懸管最大懸空長(zhǎng)度的影響較小，故在實(shí)際工程中壁厚的影響可以忽略。（2）管徑對(duì)橫向懸管最大懸空長(zhǎng)度的影響較大，隨著管徑的增加，其能承受的最大懸空長(zhǎng)度也逐漸增加，故在有水毀災(zāi)害發(fā)生的管段，可適當(dāng)加大管徑。（3）隨著水流速度的增加，管道能承受的懸空長(zhǎng)度逐漸減少，這與有限元建模分析的結(jié)果一致，故有限元模擬結(jié)果符合理論依據(jù)。

由于實(shí)際管道所處環(huán)境的復(fù)雜性，本文僅得出了應(yīng)力隨一些參數(shù)的變化趨勢(shì)，可以在之后的研究中逐步細(xì)化；本文對(duì)影響因素的分析僅為單因素分析，后續(xù)可進(jìn)行多因素綜合分析討論。