地质灾害下悬空管道的应力分析及计算

󰀁设󰀁计󰀁计󰀁算󰀁

地质灾害下悬空管道的应力分析及计算

罗金恒1,2,赵新伟2,王峰会3,郑茂盛1(1󰀁西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安󰀁710049;2󰀁中国石油天然气集团公司管材研究所,陕西西安󰀁710065;3.西北工业大学,陕西西安󰀁710072)

摘󰀁要:在地质灾害作用下,管道下方的土层下陷或流失会造成管道悬空,从而可能引发管道失效。本文基于Winkler线性理论,建立了地质灾害作用下管道与土相互作用的力学模型,并利用有限元计算了悬空管道上的应力分布。关键词:管道;地质灾害;应力分析;计算中图分类号:TE973󰀁91󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1001-4837(2006)06-0023-04

StressAnalysisandCalculationofSuspendedPipelineDuetoGeotechnicalHazards

LUOJin-heng1,2,ZHAOXin-wei2,WANGFeng-hui3,ZHENGMao-sheng1(1.SchoolofMaterialsScience&EngineeringofXi󰀁anJiaotongUniversity,Xi,an710049,China;2󰀁TubularGoodsResearchCentreofCNPC,Xi,an710065,China;3.NorthwestIndustryUniversity,Xi,an710072,China)

Abstract:Undertheeffectsofgeotechnicalhazards,thesoilunderpipelineisfelldownorsweptaway.There-forethepipelineissuspendedandprobablyledtofailure.Inthepaper,amechanicalmodelbasedonWinklertheorywasintroducedtodescribetheinteractionbetweenthepipelineandthesoilandFiniteElementMethod(FEM)isadoptedtocalculatethestressprofileofsuspendedpipeline.Keywords:pipeline;geotechnicalhazards;stressanalysis;calculation

1󰀁前言由于长距离油气输送管道周围环境复杂,地理条件多样,不可避免地会遇到各种各样的地质灾害区,将会给管道的长期安全运行构成严重威胁。例如,由于湿陷性黄土地质灾害的影响,马惠输油管道自建成投产后,几乎年年发生崩塌、坍塌等灾害,每年需耗费几十万甚至上百万元的维修资金,直接影响了管道安全运营[1]。目前的研究重点集中在对地质灾害的防治上[1~4],对于建立力学模型计算地质灾害如何影响管道的失效却不多。为此,本文初步研究了在地质灾害作用下悬空管道的力学模型,并用有限元进行了计算。2󰀁悬空管段的受力模型当埋设管道的地层发生塌陷、季节性水流冲涮等灾害时,管道下方的土层会下陷或流失,造成管道悬空。由于悬空管道两端受到未塌陷土层的支撑,󰀁󰀁基金项目:中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室资助项目(05A40101)󰀁23󰀁因此可将管道看成两端受弹性支撑的梁结构,这种管道的受力模型可以简化为变形梁模型,见图1。

图1󰀁悬空管道受力示意在图1的简化模型中,架设悬空管道的两端为弹性固定,在均匀向下的载荷q作用下发生变形(图1中的曲线)。悬空管道的两端受到当量轴向力S0的作用,M0为管道在埋入端受到的弯矩,悬空管道受到向下的均布载荷q包括:管道自重、输送介质重量、悬空管道两边土下滑造成的剪切力和管道上方土层重量(裸露悬空管道不包括后两项)。受力分析时,将跨越长度为L的悬空管道看成受当量轴向力S0作用的大挠度梁,在荷载作用下不超过比例极限。将毗邻悬空管段的埋地管道看作半无限长小变形杆或弹性地基梁,不考虑弯曲、拉伸变形的相互作用,认为管道横向土壤抗力符合Winkler假定[5~8],纵向抗力符合双线性假设,即纵向抗力(摩擦力)与管道纵向位移的关系用弹性工作段和塑性工作段(极限平衡段)来描述,近似认为土壤物性、管道的受力和变形关于c-c轴对称。图中x-y平面为管道受力和发生位移的平面,x轴为变形前管道的轴线,y轴为埋地管段与悬空段的分界线。因x=0在管道载面的转角一般不大,认为该截面的当量轴向力S0(轴向力N0)、剪力Q0分别平行于x、y轴。则图1中悬空管道的变形(挠度)曲线微分方程为:EId2ydx2=M0+S0(y-v0)+qx2/2-qLx/2(1)󰀁󰀁S0=N0-P,Np=p󰀁4d2式中󰀁E󰀁󰀁󰀁管材的弹性模量,GPa󰀁󰀁󰀁I󰀁󰀁󰀁管道的截面惯性矩,m4󰀁󰀁󰀁y󰀁󰀁󰀁悬空管道的挠度,m󰀁󰀁󰀁M0󰀁󰀁󰀁管道x=0截面的弯矩,N󰀁m󰀁󰀁󰀁v0󰀁󰀁󰀁管道x=0截面的挠度,m󰀁󰀁󰀁L󰀁󰀁󰀁管道悬空段长度,m󰀁󰀁󰀁S0󰀁󰀁󰀁悬空管道的当量轴向力,N󰀁󰀁󰀁N0󰀁󰀁󰀁悬空管道的轴向力,N󰀁󰀁󰀁NP󰀁󰀁󰀁管道内压产生的轴向力,N󰀁󰀁󰀁p󰀁󰀁󰀁管道内压,MPa󰀁󰀁󰀁d󰀁󰀁󰀁管道内径,m根据对称性条件、边界条件,可得悬空管段中挠度f为:f=qL28S0-1S0(M0+qk2)ch(kL/2)-1ch(kL/2)+v0(2)其中,k=S0/EI3󰀁有限元计算3󰀁1󰀁计算模型由于弹性力学解很难给出管道上应力细节分布,而用有限元方法可以给出详细的管道上应力场。按对称条件对悬空管道的受力进行了有限元分析,计算中不考虑风载、外界震动、温度的变化、初始装配应力等其他影响因素。采用的模型见图2,在对称面按对称条件加边界条件,即把其中向下方向的自由度放开,其余的5个自由度固定。可以近似认为,管道在埋入土壤深为L/5处管道向下方向的位移和沿管道轴线方向的位移为零,所以在管道埋入土壤L/5处按固定端加边界条件。在管道的埋入端到固定端,管道向下的位移近似按线性计算,相应地,土对管道的支撑力和位移成正比,同时管道还要承受本身重量、管道内压、输送介质重力和管道上方土的作用。

图2󰀁计算模型示意3󰀁2󰀁计算参数选取(1)管道材料参数:管道材料选取X70管材,E=210GPa,󰀁=0󰀁3,屈服强度󰀁s=485MPa,抗拉强度󰀁b=565MPa。(2)管道尺寸参数:管道外径R=0󰀁508m,壁厚t=0󰀁0175m。(3)管道所受载荷:管道内压p=10MPa;管道自重w0=4󰀁282󰀁103N/m;输送天然气重量w1=100pd2=500N/m。如果悬空管道没有裸露,还要考虑管道周围土层下陷对悬空管道向下的剪切力󰀁=2󰀁4󰀁103N/m2[7]和悬空管道上土层的重力作用力w2(N/m)。󰀁24󰀁CPVT󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁地质灾害下悬空管道的应力分析及计算󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol23.No62006w2=hD󰀁g(3)式中󰀁h󰀁󰀁󰀁悬空管道上方土层高度,取1󰀁5m󰀁󰀁󰀁D󰀁󰀁󰀁管道外径,取1󰀁016m󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁土层密度,取2󰀁675󰀁103kg/m3󰀁󰀁󰀁g󰀁󰀁󰀁g=9󰀁8N/kg3󰀁3󰀁计算结果有限元的计算采用ABAQUS有限元软件,计算出了不同悬空长度情况下管道的最大Mises应力和管道位移、沿管道轴线方向固定面和对称面上、下端的Mises应力,悬空管道上方无土层情况下的计算结果如表1所示,有土层时的计算结果如表2所示。从表1,2中的计算结果可以看出,若悬空管道上方无土层,当悬空管道长度L为120m时,管道材料已经进入屈服阶段;若悬空管道上方有土层,当悬空管道长度L为30m时,管道材料已经非常接近屈服阶段。表1󰀁悬空管道上方无土层情况下的应力和最大位移悬空长度(m)80100120对称面上端Mises应力(MPa)237󰀁185279󰀁475342󰀁517对称面下端Mises应力(MPa)231󰀁606272󰀁091333󰀁87固定面上端Mises应力(MPa)240󰀁726299󰀁232381󰀁591固定面下端Mises应力(MPa)238󰀁392296󰀁286378󰀁248最大Mises应力(MPa)367󰀁48431󰀁40519󰀁34最大位移umax(m)0󰀁7151󰀁7373󰀁591表2󰀁悬空管道上方有土层情况下的应力和最大位移悬空长度(m)202530对称面上端Mises应力(MPa)221󰀁296246󰀁894286󰀁98对称面下端Mises应力(MPa)216󰀁186239󰀁849278󰀁397固定面上端Mises应力(MPa)226.515270󰀁085342󰀁309固定面下端Mises应力(MPa)222󰀁727264󰀁32338󰀁419最大Mises应力(MPa)346󰀁42401󰀁07473󰀁47最大位移umax(mm)35󰀁50583󰀁376

170󰀁800󰀁󰀁

沿悬空管道上端线Mises应力分布情况如图3所示。从图3可以看出,两种情况下的应力分布相似,对悬空管道上方无土层情况(

图3(a)),Mises应力先减小,在42m附近降低为最低,然后逐渐增大,在60m附近增加到最大值,然后又降低;对悬空管道上方有土层情况(图3(b)),Mises应力先减小,在12m附近降低为最低,然后增加,在固定处附近达到最大值。沿悬空管道下端线Mises应力分布情况如图4所示。从图4可以看出,两种情况下的应力分布相似,对悬空管道上方无土层情况(图4(a)),Mises应力先减小,

在40m附近降低为最低,然后逐渐增大,在60m附近增加到最大值,然后又降低;对悬空管道上方有土层情况(图4(b)),Mises应力先减小,在10m附近降低为最低,然后增加,在固定处附近达到最大值。

(a)󰀁管道上方无土层情况

(b)󰀁管道上方有土层情况图3󰀁沿悬空管道上端线Mises应力分布

(a)󰀁管道上方无土层情况

(b)󰀁管道上方有土层情况图4󰀁沿悬空管道下端线Mises应力分布󰀁25󰀁第23卷第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁压󰀁󰀁力󰀁󰀁容󰀁󰀁器󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁总第163期4󰀁结语基于弹性地基梁理论建立了地质灾害下悬空管道的受力模型,并用有限元计算了不同悬空长度情况下的应力分布、最大Mises应力和管道失效的临界长度,结果表明:在悬空管道上有无土层两种情况下,管道的最大Mises应力和最大位移都随着悬空管道长度的增加而增加;两种情况下沿悬空管道上下端线的Mises应力分布都很相似。在本研究中将管道假设为弹性体,只从应力观点分析了悬空管道的失效问题,实际应用中,还应从屈曲观点分析管道的失效问题。参考文献:[1]󰀁孙国相,张东江,孙国华,等󰀁对湿陷性黄土地区长输管道工程地质灾害治理的探讨[J]󰀁石油规划设计,1996(3):22-24󰀁[2]󰀁王为民,张文伟󰀁黄土地区长输管道地质灾害分析及治理[J]󰀁油气储运,2001,20(4):28-31󰀁[3]󰀁郭书太.陕-京输气管线沿线地质灾害及防护对策[J].石油规划设计,1997,(2):14-16.[4]󰀁赵应奎.西气东输工程管道线路地质灾害及其防治对策[J].天然气与石油,2002,20(1):44-47.[5]󰀁龙驭球.弹性地基梁的计算[M].北京,高等教育出版社,1989.[6]󰀁王成华.土力学原理[M].天津,天津大学出版社,1998.[6]󰀁邓道明.张庆元,金劲松,有/无固定墩跨越管道的内力和变形比较[J].油气储运,1999,18(6):17-20.[7]󰀁A.B.阿英宾杰尔,等.干线管道强度及稳定性计算[M].北京,石油工业出版社,1988.[8]󰀁郑洪龙,邵弘,楚彦才,等.输油管道疲劳裂纹分形研究[J].压力容器,2004,21(12):9-11.