管道在水平定向鉆施工及服役期的力學響應分析

摘要：

水平定向鉆穿越管道在施工及服役期的力學響應受到多種因素的影響，現有理論和計算方法均在很大程度上受限于經驗修正參數的選擇?；诂F場實測數據，通過有限元數值模擬對鋼管在水平定向鉆施工回拖過程中的受力變形及在外部壓力作用下的結構穩定性進行研究。模擬結果表明：在回拖過程中，鋼管在出土端的Mises應力和縱向彎矩明顯大于入土端；在鉆孔的彎曲段，鋼管的Mises應力和縱向彎矩均隨著彎曲段曲率半徑的減小而增大；當鋼管在外部壓力作用下發生結構屈曲失穩時，塑性應變主要集中在管道的頂部、底部及兩側位置處，其所能承受的外部壓力隨著管道壁厚的增大而增大，隨著直徑的增大而減小。

關" 鍵" 詞：

水平定向鉆； 鋼管； 施工回拖； 結構穩定性

中圖法分類號： TV314

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.027

收稿日期：2024-02-07；接受日期：2024-04-30

基金項目：

浙江省基礎公益研究計劃項目（LGG20E080005）

作者簡介：

鄭" 華，男，高級工程師，主要從事管道非開挖施工技術研究。E-mail：zhenghua20230810@126.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2025） 01-0198-07

引用本文：

鄭華.管道在水平定向鉆施工及服役期的力學響應分析

［J］.人民長江，2025，56（1）：198-204.

0" 引 言

水平定向鉆技術作為一種高效、環保、經濟的施工方法，已在石油、天然氣、水、電纜和通信線路等地下管道設施的鋪設和維修中得到廣泛應用。在水平定向鉆回拖過程中，管道將承受拉伸、壓縮和彎曲等多種受力形式的復合作用，這可能導致管道結構發生扭曲變形而失效破壞。此外，在管道服役期間，其在高靜水壓力的作用下還可能進一步發生結構的屈曲失穩［1-2］。隨著水平定向鉆技術的不斷進步，管道直徑和鉆孔長度逐漸增大，管道受力情況更為復雜。

前人針對水平定向鉆穿越管道在施工及服役期間的受力變形已經進行了較為深入的研究，提出了多種經驗［3-6］或半經驗性［7-9］的理論計算方法。然而，由于水平定向鉆穿越的工程地質條件復雜多變，因此在理論計算中不得不引入大量的經驗修正參數，而經驗修正參數的選擇不確定性又會很大程度上降低理論計算方法的準確可靠性，限制了其工程應用［10-12］。隨著計算機技術的發展，數值模擬計算正逐漸成為研究水平定向鉆穿越管道在施工和服役期間受力變形的重要工具。蔡亮學［13］認為，管道在水平定向鉆施工過程中的回拖力主要取決于管-土摩擦力，其大小與管-土摩擦系數、管道重量、回拖過程中導向孔方向的改變以及泥漿性能等因素密切相關。郭曉軍［14］基于工程實例開展有限元數值模擬分析，指出在管道內部充填液體不僅可以有效減小管道的回拖力，還可以顯著提高管道的抗失穩安全系數。石賢增等［15］通過有限元數值模擬研究，發現管道的回拖力隨著擴徑比和彎曲段曲率半徑的增大而減小，指出宜將擴徑比和彎曲段曲率分別控制在1.5～1.6和1 300～1 400 m的范圍內。以上研究表明，數值模擬分析在水平定向鉆技術的研究與應用中已發揮著重要作用，可用于評估和優化水平定向鉆穿越管道工程中的各種問題。

本文以江蘇沿海如東—常熟—太倉輸氣管線工程為例，利用現場實測數據開展有限元數值模擬，對管道在水平定向鉆施工和服役期間的力學響應特征進行分析，以期為管線的安全運營提供重要的理論依據和設計支持。

1" 工程概況

如東—常熟—太倉輸氣管線工程在穿越河流時采用水平定向鉆技術進行鋪設，穿越地層深度為35 m，穿越長度為1 567 m。鋼管采用X-65熱軋鋼板，其直徑D和壁厚t分別為1.02 m和26 mm，鉆孔直徑為1.5D，在轉彎處的曲率半徑為1 500D，鋼管入土角和出土角分別為8°和10°，如圖1所示。在回拖過程中，由于鋼管的有效浮力大于2kN/m，根據SY/T 6968—2021《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設計規范》［16］，應采取浮力控制措施。因此，通過在鋼管內部安裝PE管道，并在PE管道內部充水進行配重降浮。在配重降浮后，鋼管的有效浮力為其所受浮力減去自身重力，再減去用于配重降浮的PE管道及其內部充水總重力。經計算，配重降浮后鋼管的有效浮力為1.76 kN/m，鋼管的回拖速度控制在0.05 m/s。

2" 數值模擬

2.1" 鋼管回拖過程數值建模分析

本文使用有限元軟件ABAQUS進行數值模擬分析，采用4節點縮減積分殼單元對管道和鉆孔壁進行模擬，沿著管道和鉆孔壁的環向均勻劃分了10個單元，單元網格的縱向尺寸與環向保持一致，以避免單元網格由于扭曲畸變而引起的計算不收斂。實際工程中，對鋼管進行配重降浮后其依舊受到向上的浮力作用（即1.76 kN/m），因此在數值建模的初始狀態，將鋼管緊貼于孔壁的上部，如圖2所示。其中，管道和孔壁的幾何尺寸與實際工況保持一致。

在建模時將孔壁簡化為剛體，即不考慮管道回拖對孔壁的擾動作用。采用這一假定能有效減少模型中的變量和參數，進而降低計算復雜度，使分析過程更高效。然而，在管道回拖的過程中，實際上鉆孔壁會受到一定程度的擠壓和變形，而導致管道遭遇額外的摩擦力和擠壓力。忽略孔壁的變形將無法考慮這一因素的影響，從而低估了管道受到的回拖阻力。但另一方面，忽略孔壁的變形也會增大管道在鉆孔彎曲段所受到的絞盤效應，導致管道的回拖阻力計算結果偏大。考慮到在實際工程中鋼管的回拖速度僅為0.05 m/s，對孔壁的擾動相對較?。?7-18］，因此在該特定條件下，這一簡化假定具有一定的合理性。

在數值模擬中采用的鋼管彈、塑性材料力學參數分別見表1和表2。

本文所采用的數值模擬計算共分為2個分析步：

（1） 對鋼管施加向上的豎向荷載，以模擬鋼管在配液減阻后所受到的浮力，并固定孔壁的所有自由度。對于鋼管和孔壁之間的切向接觸，采用罰函數進行定義，將摩擦系數取為0.3，而法向接觸則采用硬接觸進行模擬。

（2） 在出土端對鋼管施加位移荷載，并控制管道的回拖速度為0.05 m/s。同時，為模擬泥漿對于鋼管的黏滯阻力，沿著鋼管外表面施加縱向拖拽力（取0.175 kN/m2）［3］。對鋼管施加的荷載邊界條件如圖3所示。

2.2" 鋼管結構屈曲穩定性數值建模分析

在回拖結束后，由于地表與地下水系連通，鉆孔內的水壓力長期處于較高的水平，因此，鋼管在服役期間將長期受到高靜水壓力的影響。在這種情況下，由于鋼管受到向上的浮力作用，因此在建模的初始狀態同樣將管道緊貼于孔壁的上部，并將孔壁簡化為剛體，即不考慮孔壁的擾動變形，如圖4所示。

在數值模擬中，分別采用4節點縮減積分平面應變單元和2節點剛體單元對管道和鉆孔壁進行模擬，沿著管道和鉆孔壁的環向均勻劃分了40個單元，沿著管道的徑向均勻劃分了5個單元。為模擬鋼管所受到的靜水壓力，對鋼管壁外表面施加沿豎向線性變化的法向壓力，即在管道頂部和底部位置處施加的法向壓力分別為ρgh和ρg（h+D），其中，h為管道頂部距地下水位的距離，D為管道直徑。管道其余位置處的法向壓力則在這一范圍內隨著深度的增大而線性增大，并將孔壁的所有自由度進行固定，如圖5所示。對于鋼管和孔壁之間的切向和法向接觸，則同樣分別采用罰函數和硬接觸進行模擬。

3" 數值模擬驗證

在對水平定向鉆施工期和服役期管道受力變形進行數值模擬分析時，數值計算結果與實測結果之間的誤差可能源自多個方面：

（1） 參數不確定性。由于施工條件、地質情況等因素的變化，模擬過程中所使用的參數（如摩擦系數、浮力取值、泥漿阻力等）均是基于經驗或文獻的估計值，從而導致模擬結果與實測結果之間存在誤差。

（2） 模型假設的局限性。數值模擬過程中常常需要對現實情況進行簡化和理想化處理，比如將鉆孔壁簡化為剛體，以便于建立數值模型進行計算分析。這些假設可能會忽略一些細節和復雜因素，例如管道與地層之間的非線性接觸、管道的非均勻性等，從而引入誤差。

在鋼管回拖過程中，本文通過數值模擬計算所得到的管道回拖力為1 370 kN，工程實測值為1 400 kN，兩者的相對差異僅為2.1%。同時由于回拖結束后，在鋼管服役期間并沒有對其結構屈曲應力進行測量，因此采用Yan等［19］所報道的模型試驗結果對該部分的數值模型進行驗證。Yan等［19］將新型熱塑性PVC材料用作市政排水管道的內襯修復管材，并通過室內模型試驗對PVC內襯管在外部壓力作用下的結構屈曲穩定性進行了研究，結果表明當外部壓力增加至51 kPa時，PVC內襯管將發生結構屈曲破壞。而本文通過數值模擬所得到的PVC內襯管結構屈曲外部壓力為48 kPa，與模型試驗實測值的相對誤差僅為5.8%。這表明本文所建立的兩個數值模型均可以滿足對于管道在施工回拖過程中和服役期間力學行為特征的模擬研究。

4" 參數敏感性分析

鋼管在施工和服役期間的受力變形受到諸如鉆孔彎曲段曲率半徑、管道直徑和壁厚等因素的影響。本文在參數敏感性分析中對于不同變量的取值分別見表3和表4。

5" 數值結果分析

圖6為在鉆孔彎曲段不同曲率半徑下（工況1-1、1-2和1-3），鋼管的Mises應力沿其縱向的分布。從圖中可以看出，Mises應力從出土端到入土段大致呈線性遞減趨勢，這是由于回拖力被施加在鋼管的出土端而導致的。此外，在鉆孔的彎曲段，Mises應力隨著彎曲段曲率半徑的減小而增大；而在鉆孔的直線段，彎曲段曲率半徑的變化則對于鋼管Mises應力的影響較小。

圖7為在鉆孔彎曲段不同曲率半徑下（工況1-1、1-2和1-3），鋼管的縱向彎矩分布。從圖中可以看出，在鉆孔的彎曲段，鋼管的縱向彎矩隨著彎曲段曲率半徑的減小而增大；而在鉆孔的直線段，彎曲段曲率半徑對于鋼管縱向彎矩的影響較小。此外還可以看出，鋼管在出土端的縱向彎矩明顯大于其在入口端的縱向彎矩。

圖8為當鋼管直徑不同時（工況1-1、1-4和1-5）其Mises應力沿管道縱向的分布。從圖中可以看出，當管道直徑從0.5 m增大到1.02 m，Mises應力并沒有顯著變化，這說明管道直徑對于鋼管Mises應力的影響較小。

圖9為當鋼管直徑不同時（工況1-1、1-4和1-5）其縱向彎矩的分布。從圖中可以看出，在鉆孔的彎曲段，鋼管的縱向彎矩隨著管道直徑的增大而增大；而在鉆孔的直線段，管道直徑對于鋼管縱向彎矩的影響較小。此外還可以看出，鋼管在出土端的縱向彎矩大于其在入口端的縱向彎矩。

圖10為數值模擬工況2-1、2-2和2-3中，不同直徑和壁厚的鋼管在服役期間發生結構屈曲失穩時的塑性應變分布。從圖中可以看出，當鋼管發生結構屈曲失穩時，其塑性應變主要集中在頂部、底部及兩側。另外，數值模擬結果表明，當直徑為1.02 m、壁厚為26 mm的鋼管發生結構屈曲失穩時，其承受的外部壓力為7.1 MPa；而當壁厚減小為13 mm時，鋼管所能承受的外部壓力僅為0.75 MPa。對于直徑為0.7 m、壁厚為26 mm的鋼管，其發生結構屈曲失穩時所能承受的外部壓力則高達25.3 MPa。

圖11為數值模擬工況2-1、2-2和2-3中，鋼管在服役期間發生結構屈曲失穩時的環向彎矩分布。需要說明的是，當管道在某一位置外表面受壓、內表面受拉時，將作用于該位置處的環向彎矩定義為正；反之，則定義為負。從圖中可以看出，管道的環向彎矩絕對值的最大值發生在其頂部、底部和兩側。對于直徑1.02 m、壁厚為26 mm和13 mm的鋼管，當發生結構屈曲失穩時，其環向彎矩絕對值的最大值分別為44 kN·m和13 kN·m；而對于直徑0.7 m、壁厚26 mm的鋼管，其環向彎矩絕對值的最大值為16 kN·m。

圖12為數值模擬工況2-1、2-2和2-3中，鋼管在發生結構屈曲失穩時的環向軸力分布。需要說明

的是，當管道在某一位置環向受壓時，將該位置的環向軸力定義為正；反之，則定義為負。從圖中可以看出，管道的環向軸力均為正值，這表明管道在靜水壓力作用下均處于環向受壓的狀態。從圖中還可以看出，當鋼管發生結構屈曲失穩時，其環向軸力在管道的頂部、底部和兩側均明顯小于其他位置處，與管道發生塑性應變的位置一致（圖10）。對于直徑1.02 m、壁厚為26 mm和13 mm的鋼管，當發生結構屈曲失穩時，其環向軸力最大值分別為1 890 kN和450 kN；而對于直徑0.7 m、壁厚26 mm的鋼管，其環向軸力最大值為8 630 kN。

6" 結 論

（1） 在回拖過程中，鋼管在出土端的Mises應力和縱向彎矩均明顯大于入土端。在鉆孔的彎曲段，鋼管的Mises應力和縱向彎矩均隨著彎曲段曲率半徑的減小而增大；而在鉆孔的直線段，彎曲段曲率半徑對于鋼管的Mises應力和縱向彎矩的影響均較小。

（2） 在回拖過程中，管道直徑的變化對于鋼管Mises應力的影響較小。在鉆孔的彎曲段，鋼管的縱向彎矩隨著管道直徑的增大而增大；而在鉆孔的直線段，管道直徑對于鋼管縱向彎矩的影響較小。

（3） 當鋼管在外部壓力作用下發生結構屈曲失穩時，塑性應變主要集中在管道的頂部、底部及其兩側，其所能承受的外部壓力隨著管道壁厚的增大而增大，隨著直徑的增大而減小。

（4） 當鋼管發生結構屈曲失穩時，其環向彎矩最大值發生在頂部、底部及兩側位置處，并且隨著管道壁厚的增大而增大，隨著直徑的增大而減??；其環向軸力在管道的頂部、底部和兩側均明顯小于其他位置，并且隨著管道壁厚的增大而增大，隨著直徑的增大而減小。

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（編輯：胡旭東）

Mechanical response analysis on pipeline during horizontal directional drilling construction and service period

ZHENG Hua

（Fuzhou Waterworks Engineering Co.，Ltd.，Fuzhou 350025，China）

Abstract：

Multiple factors influence the mechanical response of horizontal directional drilling pipelines during both construction and service period.However，existing theories and calculation methods are notably relied on empirical correction parameters.Based on field measured data，finite element numerical simulation was employed to investigate the stress deformation of steel pipes during the back-pulling process of horizontal directional drilling construction，as well as their structural stability under external pressure.Simulation results revealed that the von Mises stress and longitudinal bending moment at the exit end of the steel pipe were significantly higher compared to those at the entry end during the back-pulling process.Additionally，in the curved section of the borehole，both the von Mises stress and longitudinal bending moment of the steel pipe increased as the curvature radius decreased.In cases of structural buckling instability under external pressure，plastic strain primarily accumulated at the top，bottom and sides of the pipe.Furthermore，the external pressure the pipe can withstand increased with increasing wall thickness and decreased with increasing diameter.

Key words：

horizontal directional drilling； steel pipe； construction pullback； structural stability