地質(zhì)災(zāi)害下對(duì)輸油管道的失效分析

孟成

摘 要：針對(duì)輸油管道經(jīng)過地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域時(shí)，受地表沉陷作用力影響容易發(fā)生裂縫、拉斷的問題開展輸油管道力學(xué)響應(yīng)分析。用ABAQUS軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建，并針對(duì)地表沉陷的應(yīng)力作用下，管道受作用力影響出現(xiàn)變形的特征進(jìn)行分析。通過對(duì)管道軸向應(yīng)力應(yīng)變、最大Mises應(yīng)力總應(yīng)變的應(yīng)力及應(yīng)變最大值分析，確定管道最危險(xiǎn)的區(qū)域在沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)交界左右各5 m范圍內(nèi)。最后通過對(duì)基于應(yīng)力和應(yīng)變的失效準(zhǔn)則特點(diǎn)的分析，選擇適合的失效判定準(zhǔn)則對(duì)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域沉陷作用下的輸油管道進(jìn)行失效判定。

關(guān)鍵詞：輸油管道;管-土相互作用;地表沉陷;力學(xué)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TE973;TE88 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）11-0140-05

Failure Analysis of Oil Pipeline under Geological Disaster

Meng Cheng

（Wuhan Oil Transportation Office of Eastern Storage and Transportation Company of Pipe China， Wuhan 430061， China）

Abstract：The mechanical response analysis of the oil pipeline is carried out for the problems of cracks and fracture when the oil pipeline passes through the geological disaster area. The mathematical model was constructed with ABAQUS software and analyzed for the pipeline deformation under the stress of surface subsidence. By analyzing the stress of the pipeline axial stress strain， maximum Mises stress strain and maximum strain， the most dangerous area of the pipeline is determined within about 5 m each at the boundary of the non-subsidence area. Finally， analyzing the characteristics of stress and strain， the appropriate fault criterion of geological disaster area subsidence.

Key words：oil pipeline; pipe-soil interaction; surface subsidence; mechanical response

管道運(yùn)輸是我國(guó)石油運(yùn)輸最常用的一種方式。隨著我國(guó)對(duì)石油需求量的不斷增加，輸油管道的敷設(shè)量也隨之增加。受我國(guó)特殊地形影響，部分輸油管道需要穿過地質(zhì)災(zāi)害區(qū)，地表沉陷是較為典型的一種地質(zhì)災(zāi)害，也是對(duì)輸油管道影響較大的一種地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)管道穿過地表沉陷區(qū)域時(shí)，受沉陷土體作用力的影響，輸油管道可能產(chǎn)生裂縫、拉斷等形式的破壞，造成石油泄漏的現(xiàn)象。因?yàn)槭鸵兹家妆奶攸c(diǎn)，一旦出現(xiàn)泄漏的情況，就會(huì)造成一些嚴(yán)重的后果。為解決輸油管道失效的問題，國(guó)內(nèi)廣大學(xué)者做出了很多研究，如胡建國(guó)等（2018）以長(zhǎng)慶油田某輸油管作為研究對(duì)象，對(duì)管道腐蝕失效進(jìn)行相關(guān)分析[1];劉彥麟等（2019）則希望通過“樹新算法”，考慮管道腐蝕故障失效相關(guān)性[2]。以上學(xué)者的研究成果為管道失效分析提供了新的思考，但這些學(xué)者的研究未對(duì)地質(zhì)災(zāi)害下的輸油管道失效分析進(jìn)行定義?；诖耍疚膰L試通過建立模型，確定沉陷作用對(duì)輸油管道的影響程度，找出輸油管道容易發(fā)生破壞的位置，為制定有效預(yù)防輸油管道失效措施提供參考。

1 有限元模型建立

1.1 管-土相互作用模型

考慮埋地輸送管道與管周土體（管-土）相互作用，采用有限元軟件建模，選擇土彈簧模型和非線性接觸模型實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害下沉陷土體管-土相互作用建模。

1.1.1 土彈簧模型

土彈簧模型可將管-土相互作用進(jìn)行分解，得到軸向、橫向水平、橫向垂直的極限荷載變化。圖1為經(jīng)過土彈簧模型分解后，三向土彈簧模型的受力-變形示意圖，其中KA、KH、KV分別代表管道軸向、橫向水平、橫向垂直的彈簧剛度。

1.2 構(gòu)建模型

1.2.1 幾何模型的建立

在忽略防腐層、缺陷因素影響，以及土體均為提箱土體的情況下，構(gòu)建圖2的沉陷土體下管-土模型。表1為有限元模型的幾何參數(shù)。在圖2中，AC段為整體模型的計(jì)算長(zhǎng)度;BC段為模擬沉陷區(qū)，B點(diǎn)為沉陷區(qū)和非沉陷區(qū)的交界面。在試驗(yàn)過程中，模擬沉陷區(qū)域的方法是在BC段施加位移載荷。

1.2.2? ? ?材料屬性設(shè)置

土體模型和管道模型在Part模塊中創(chuàng)建，在Property模塊中分別定義土體管型和管道模型的材料屬性，具體材料參數(shù)如表2所示。

以彈性模型和摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型作為土體模型，管道模型為Ramberg-Osgood（B-O）模型;為實(shí)現(xiàn)管道經(jīng)過地表沉陷區(qū)域時(shí)，塑性狀態(tài)的模擬，需要在ABAQUS軟件中輸入真實(shí)應(yīng)力（真實(shí)應(yīng)力取X65鋼的屈服強(qiáng)度450 MPa）、塑性應(yīng)變的數(shù)據(jù)。本構(gòu)方程為

式中：ε表示材料的總應(yīng)變;E表示材料彈性模量，Pa;σs表示材料屈服應(yīng)力，Pa;n、r分別表示材料的R-O模型參數(shù)。

1.2.3 分析步確定

本文分析步采用Static General 靜力分析步，需要提前對(duì)分析步進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置為：時(shí)間分析步總長(zhǎng)為1;增量步長(zhǎng)為自動(dòng);初始步長(zhǎng)為0.05;最小增量步為1E-5;增量次數(shù)為1 000。管道產(chǎn)生較大變形，需在Basic中幾何非線性選項(xiàng)Nlgeom選擇on。

1.2.4 管-土間相互作用

在Interaction模塊中采用面-面接觸定義管-土接觸，以管道外表面為主面，土體內(nèi)表面為從面，建立相互作用的屬性。以罰函數(shù)為切向塑性，硬接觸為法向?qū)傩?。?土間摩擦系數(shù)根據(jù)實(shí)際測(cè)量確定。無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可按表3取值，本實(shí)驗(yàn)取值0.5。

1.2.5 荷載和邊界條件

管道穿過地質(zhì)災(zāi)害地表沉陷區(qū)域時(shí)，由管道自重、管-土間相互作用力、介質(zhì)壓力和上覆土體自重對(duì)管道施加壓力，因此需在荷載選項(xiàng)中進(jìn)行設(shè)置;輸油管主要輸送物質(zhì)為密度850 kg/m3的柴油，在管道下側(cè)受到重力作用，則管道下側(cè)單位面積受力為1 291 N。在數(shù)值模型建立時(shí)，對(duì)管道施加該力。

2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力云圖

圖3為在建模參數(shù)下，土體沉降量為0.2 m時(shí)的應(yīng)力云圖。由圖3可知，土體沉陷會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)向下的彎曲變形，管道的最大Mises應(yīng)力為428.5 MPa，比彈性屈服強(qiáng)度小;最大軸向應(yīng)力為456.2 MPa;而最大軸向應(yīng)變和最大總應(yīng)變均為0.193%，應(yīng)變量小。

2.2 管道受力和變形反應(yīng)分析

通過分析圖3土體沉降應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可知，管道應(yīng)力主要集中在管頂和管底，因此，接下來重點(diǎn)對(duì)管頂和管底的受力進(jìn)行分析。

2.2.1 Mises應(yīng)力和總應(yīng)變分析

圖4（a）、（b）分別為管頂和管底的Mises應(yīng)力及總應(yīng)變沿管道長(zhǎng)度變化情況。由圖4可知，管道Mises應(yīng)力和總應(yīng)變?cè)诔料菖c非沉陷區(qū)交界處相對(duì)比較集中。非沉陷區(qū)Mises應(yīng)力和總應(yīng)變最大值均位于17.5 m 處，分別為425 MPa和0.193%。而沉陷區(qū)Mises應(yīng)力和總應(yīng)變最大值均位于22 m處，分別為428 MPa和0.191%。沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)相比，最大應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)與沉陷交界面接近，且在左右2.5 m區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變值均較大。說明管道最危險(xiǎn)位置在沉陷與非沉陷區(qū)左右5 m位置。

圖5為沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)最大Mises應(yīng)力和總應(yīng)變所在的管道圓周Mises應(yīng)力和總應(yīng)變的變化示意圖。

由圖5（a）、（b）可知，Mises應(yīng)力對(duì)管頂和管底壓迫較大，故管道最容易受損傷位置在管頂和管底。由圖5（c）、（d）可發(fā)現(xiàn)，沉陷區(qū)管頂附近總應(yīng)變比管底附近應(yīng)變小，即沉陷區(qū)管底更容易因?yàn)樽冃芜^大而導(dǎo)致失效。而非沉陷區(qū)的應(yīng)變情況與沉陷區(qū)剛好相反，在管頂更容易因?yàn)樽冃芜^大而造成失效。

2.2.2 軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變分析

圖6為管頂和管底軸向應(yīng)力、應(yīng)變隨管長(zhǎng)變化情況。由圖6可知，管道應(yīng)力、應(yīng)變集中在沉陷與非沉陷區(qū)交界面附近，且管頂與管底受力情況相反。通過計(jì)算可知，非沉陷區(qū)最大軸向拉伸、壓縮應(yīng)力及應(yīng)變均在22 m附近，軸向Mises應(yīng)力和總應(yīng)變最大位置相同，印證了2.2.1的結(jié)論，即在沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)交界面左右5 m范圍為管道最危險(xiǎn)的位置。

圖7為非沉陷區(qū)和沉陷區(qū)管道最大軸向應(yīng)力應(yīng)變所在管道圓周截面軸向應(yīng)力、應(yīng)變變化示意圖。由圖7可知，非沉陷與沉陷區(qū)管道應(yīng)力、應(yīng)變變化情況表現(xiàn)出相反形式。在左右兩側(cè)的軸向應(yīng)力、應(yīng)變較小，在管道頂部和底部較高。即管道在該位置最容易受到損傷。

3 失效判斷準(zhǔn)則

3.1 基于應(yīng)力理論的管道失效判斷

在管道設(shè)計(jì)中，失效判別標(biāo)準(zhǔn)一般為管道應(yīng)力，也就是管道在規(guī)定壓力下輸送介質(zhì)時(shí)，最大應(yīng)力應(yīng)小于管材的屈服應(yīng)力。根據(jù)GB/T 36676—2018規(guī)定，用管道應(yīng)力作為失效判別標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足環(huán)向應(yīng)力條件和組合應(yīng)力條件。

3.1.1 環(huán)向應(yīng)力條件

根據(jù)環(huán)向應(yīng)力條件的相關(guān)要求，管道在正常運(yùn)行工況下需滿足： ，也就是環(huán)向應(yīng)力小于許用應(yīng)力。式中，σh為管道環(huán)向應(yīng)力，MPa;σs為管材屈服應(yīng)力，MPa;[σ]為管道許用應(yīng)力，MPa;K為設(shè)計(jì)系數(shù)，為焊接系數(shù)，一般取值為1。一般情況下，輸油管道的設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72。

3.1.2 組合應(yīng)力條件

沉陷區(qū)管道受多種應(yīng)力的共同作用，管道應(yīng)力處于三向應(yīng)力狀態(tài)。若只依靠環(huán)向應(yīng)力，無法保證管道的安全運(yùn)營(yíng)。因此還需用組合應(yīng)力對(duì)管道強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。VonMises屈服條件為

式中：σMises為管道前后部的Mises組合應(yīng)力;K為安全系數(shù)，本文取值0.9;σ1、σ2、σ3分別表示為管道任一微單元的主應(yīng)力，大小為σ3≤σ2≤σ1。

3.2 基于應(yīng)變理論的管道失效判據(jù)

管道極限應(yīng)變?nèi)≈到y(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

上述4個(gè)準(zhǔn)則都是針對(duì)無缺陷管道應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的，通過對(duì)比分析，本文取2%作為極限應(yīng)變?nèi)≈怠?/p>

3.3 管道失效情況分析

對(duì)管道的采樣研究表明，管道受較大位移變形導(dǎo)致某些部位應(yīng)力達(dá)到失效條件，運(yùn)行依舊不會(huì)受到影響。因此采用基于應(yīng)變理論的失效準(zhǔn)則，應(yīng)力可以超過管道屈服強(qiáng)度。本文選擇的失效判定方法為基于應(yīng)變，準(zhǔn)確判斷在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域地表沉陷作用下，輸油管道有沒有失效。表5為輸油管道最大Mises應(yīng)力和最大總應(yīng)變有限元模擬計(jì)算結(jié)果，由表5可知，最大應(yīng)變?yōu)?.193%，比極限應(yīng)變小。滿足相關(guān)準(zhǔn)則，證明管道不會(huì)因?yàn)樵摮料萸闆r出現(xiàn)管道失效。

4 結(jié)語

研究表明，通過ABAQUS有限元分析軟件建立的數(shù)值模型能就地質(zhì)災(zāi)害下地表沉陷對(duì)管道受力和變形特征進(jìn)行有效分析。結(jié)果證實(shí)了沉陷區(qū)最大應(yīng)力、應(yīng)變點(diǎn)與沉陷交界面接近，沉陷區(qū)最大Mises應(yīng)力和總應(yīng)變均位于22 m處，分別為428 MPa和0.191%。軸向Mises應(yīng)力和總應(yīng)變最大位置相同，最大應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)在2.5 m左右區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變值均較大。也就是說管道最危險(xiǎn)的區(qū)域在沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)交界左右各5 m范圍內(nèi)。基于應(yīng)力和應(yīng)變失效準(zhǔn)則特點(diǎn)，為對(duì)沉陷作用下輸油管道的失效進(jìn)行判定。

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