山體隧道輸氣管道應力影響因素分析

羅 旋 陳 林 王 軍

中國石油西南油氣田公司輸氣管理處重慶輸氣作業區 重慶 400000

我國西南地區以山地、丘陵地形為主，輸氣管道經過這些區域時，為避免爬坡敷設增加輸氣管道總里程、保護當地的生態環境，輸氣管道通常采取隧道穿越的敷設方式[1-2]。山體隧道輸氣管道應力分布及變化特征受多種因素的影響，包括運行壓力、運行溫度、環境溫度、支墩間距、斜管傾角等[3-4]。當前山體隧道輸氣管道的設計尚無理論支撐，主要依賴經驗參數，管道運行存在安全隱患[5]。本文分析各種因素對管道應力的影響，為山體隧道輸氣管道的設計與運行管理提供參考。

1 應力分析模型的建立

1.1 基本參數

分析石嶺崗隧道輸氣管道，該隧道穿越采用“平巷（進口段）- 斜巷（出口段）”形式。隧道水平長度為1229m，隧道總長為1290m，其中進口段長度為666m，斜巷長度為624m。管道在隧道平、斜巷內支撐在支墩上，支墩間距12m。為保障隧道內管道安全，減少因溫度應力造成的管道變形和位移，在兩岸隧道洞口外設置25m 的水平溫度補償管段管溝和固定墩。隧道內輸氣管道管徑（φ）為813mm，材質為L485（X70）直縫埋弧焊鋼管，管道設計壓力為6.3MPa，采用三層PE 加強級防腐。運行壓力3.5～5.0MPa、運行溫度21.5℃。

1.2 模型建立

根據工程數據，本文利用CAESAR II 軟件建立隧道輸氣管道應力分析模型。隧道進口與出口分別設置固定墩1 與固定墩2，設置固定域約束為“ANC”；管道受到支墩約束，應力簡化為承受軸向力、剪力及彎矩，僅在Z 與Y 方向受約束。石嶺崗山體隧道輸氣管道應力分析模型見圖1。

圖1 石嶺崗山體隧道輸氣管道應力分析模型

1.3 應力分布特征

石嶺崗山體隧道輸氣管道應力分布見圖2。

由圖2 可知，輸氣管彎頭處較容易發生應力集中現象，是應力危險截面，其中彎管1 處的一次應力值最大；除彎頭區域，應力分布較為均勻。依據設計標準[6-7]，一次應力、二次應力、綜合應力最高節點應力數值均未超過0.9 倍的管材許用應力，管道運行狀態下的一次、二次應力滿足規范要求。

圖2 石嶺崗山體隧道輸氣管道應力分布

2 應力影響因素分析

2.1 運行壓力的影響

設置運行溫度21.5℃、環境溫度20℃、支墩間距12m、斜巷傾角20°，模擬山體隧道輸氣管道內壓為3.5～6.0MPa，發現應力與內壓呈正比，管道危險斷面的位置無變化；管道一次應力隨著內壓的升高而增大，而內壓改變對二次應力的影響并不大。

綜合輸氣管道在不同內壓下的應力分布，輸氣管道在不同內壓下的最大應力隨內壓增大，石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應力隨內壓的變化規律見圖3。

圖3 石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應力隨內壓的變化規律

2.2 運行溫度的影響

設置石嶺崗隧道輸氣管道運行溫度為21.5～50℃，發現應力隨運行溫度的增加而增大，山體隧道輸氣管道危險斷面的位置無變化。管道的二次應力變化隨著運行溫度的增加而增大，但一次應力的變化不明顯。

綜合山體隧道輸氣管道在不同運行溫度下的應力分布，管道最大應力隨運行溫度的增大而增大，石嶺崗隧道輸氣管道最大應力隨運行溫度的變化規律見圖4。當運行溫度超過40℃后，管道內外溫差增大，應力增大幅度顯著增加。因此，當溫度超過40℃時，需要更加需要關注溫度對山體隧道輸氣管道應力的影響。

圖4 石嶺崗隧道輸氣管道最大應力隨運行溫度的變化規律

2.3 環境溫度的影響

山體隧道輸氣管道的環境溫度為5～20℃時，石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應力隨環境溫度的變化規律見圖5。隨著環境溫度的增加，山體隧道輸氣管道內外溫差降低，綜合應力降低；管道內外溫差增大時，應力增大幅度明顯增加。因此，在冬季時，更要注意隧道內管道的運行安全。

圖5 石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應力隨環境溫度的變化規律

2.4 支墩間距的影響

石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應力隨支墩間距的變化規律見圖6。

圖6 石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應力隨支墩間距的變化規律

由圖6 可知，隨著支墩間距的減小，管道最大應力減小。支墩過大易造成管道軸向失穩。當間距由12m 降低至6m 時，成本投資增加一倍,施工難度增大，應力降低幅度僅為1.6%，因此，支墩間距也不宜過小。

2.5 斜管傾角的影響

設置管道傾斜角度為20°≤α≤35°，石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應力隨斜管傾角的變化規律見圖7。隨著斜管傾角的增加，管段最大綜合應力值增加，傾斜角為30°～35°時，應力值明顯增大。

圖7 石嶺崗山體隧道輸氣管道最大應力隨斜管傾角的變化規律

3 影響應力變化的主控因素分析

依據灰色關聯分析比較各對比因素（運行壓力、運行溫度、環境溫度、支墩間距、斜管傾角）與最大應力的關聯程度。各影響因素的關聯度見表1。

由表1 可知，各影響因素的關聯度均大于0，說明各因素對管道應力均有影響。分析關聯度的數值，運行壓力的關聯度最大，為0.79，說明運行壓力是影響管道應力的主要控制因素。

表1 各影響因素的關聯度

4 結論

（1）通過計算分析，發現在運行狀態下，管道一次、二次應力均滿足規范要求。同時，與其他區域相比，彎管是應力危險截面。

（2）隨著運行壓力、運行溫度的增加，管道危險斷面位置無變化，管道最大應力隨之增大。當運行溫度超過40℃，管道內外溫差增大，應力增大幅度明顯增加，需要重點關注溫度對管道應力的影響。

（3）隨著環境溫度變化，管道內外溫差增大，應力增大幅度增加。因此，冬季的時候，更需要注意隧道內管道的運行安全。在設計時，隧道支墩間距不宜過大，斜巷隧道輸氣管道的角度不宜超過30°。

（4）結合灰色關聯分析法，得到各因素的關聯度，其中運行壓力是影響管道應力的主要控制因素。