挖掘載荷作用下埋地輸氣管道損傷過程數值模擬

龐自嘯，阿斯汗，孫 策，王衛強

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

挖掘載荷作用下埋地輸氣管道損傷過程數值模擬

龐自嘯，阿斯汗，孫 策，王衛強

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

挖掘載荷損傷已成為城市埋地燃氣管道損傷的常見形式。挖掘機破壞管道過程就是齒斗直接作用在管道上引起穿孔或者裂縫的過程。利用ANSYS Workbench有限元商業軟件，基于非線性分析理論和動力學分析理論，在半無限土介質中，通過對動力參數和接觸參數的合理設置，控制挖掘機齒斗的位移隨時間變化，對埋地輸氣管道損傷過程進行數值模擬。結果表明埋地輸氣管道承受挖掘荷載作用的過程是一個瞬態受力過程，挖掘荷載作用位置點是輸氣管道最易發生破壞的地方。

埋地輸氣管道；損傷過程；挖掘載荷；數值模擬

隨著現代社會的不斷進步和發展，城市建設不斷增多，各種施工越來越頻繁，如：修筑地下鐵路、地下商場以及地下排水系統等，這些施工過程都需要進行挖掘作業，導致挖掘載荷損傷已成為城市埋地燃氣管道損傷的常見形式。

根據對國內外大量的管道事故統計資料分析，影響管道安全的因素在形成的管道事故中所占的比例不同，其中腐蝕、第三方破壞是最主要的因素[1]。例如，2012年4月23日上午，新疆巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市人民東路一處地下停車場施工時不慎將一條地埋的燃氣管道刨漏，導致燃氣泄漏，事故造成附近3萬多戶居民和餐飲商戶停止供氣。2013年9月17日晚，322國道廣西桂林市靈川段，施工隊用挖掘機進行施工作業，在挖掘機操作過程中，因為司機操作不小心，將天然氣管道挖壞，所幸消防人員處理及時，才避免了重大事故的發生。

挖掘荷載作用在管道上所造成的后果，一是直接導致管道破裂，引起介質泄露；二是不同程度地損壞管道防腐層或給管線造成刮痕、壓坑等缺陷，為管道腐蝕或應力集中開裂埋下隱患[2]。由于輸氣管道內介質具有易燃易爆的特性，一旦發生泄漏事故，造成的損失將難以預料，嚴重時還會產生火災或爆炸等危害，威脅到人民的生命財產安全。因此，本章針對挖掘荷載作用下埋地輸氣管道損傷過程進行的研究很具有現實意義。

目前，國內外對挖掘、強夯等沖擊作用的問題，研究土體的動力特性的文獻較多[3,4]，在研究埋地輸氣管道受力特性及損傷過程方面研究較少，關于埋地輸氣管道在地質災害如落石、強夯、爆炸等方面的研究己經取得一些成果[5-7]，而關于挖掘作用下埋地輸氣管道動力響應的文獻極少。隨著應力計算和變形分析等方面理論的進一步完善，地下管道破壞分析在軟件開發方面也已取得長足發展，如LS-DYDA、ABAQUS、ANSYS Workbench 和ADINA等軟件的開發完善，使該領域的研究得以快速發展，從而使基于有限元理論的研究得到更為廣泛的應用。

本文主要針對外荷載作用下土與結構相互作用方面以及管道受力方面等內容進行研究"本文利用有限元軟件ANSYS Workbench ，基于非線性動力學和動態算法，建立了動力接觸的挖掘機齒斗-輸氣管道動力相互作用模型。采用數值模擬方法對研究挖掘載荷作用下埋地輸氣管道損傷過程，便于將地質背景、場地條件和管道破壞結合起來分析其破壞機理，為其在工程應用方面打下基礎。

1 材料模型

1.1 土體材料參數

本模型土體選用能較好反映土體的彈塑性狀態的Drucker-Prager 模型。本模型服從廣義Von-Mises屈服準則(主應力空間為一圓錐面，π平面為一圓面)，其表達式為[8]：（偏應力張量第二不變量）。

k、α為與φ和c有關的常數，

式中：

φ —摩擦角；

c —初始屈服粘聚力。

土體具體參數如表1。

表1 土體參數Table 1 Parameters of soil

1.2 管道材料參數

本文采用輸氣管道中常用的L245MB管線鋼分析挖掘荷載作用下埋地輸氣管道損傷過程。這里采用多線形硬化塑性模型，該模型遵從Von-Mises 屈服準則[8]。查文獻[9]——《機械設計手冊》可知管材彈性模量等參數，如表2所示。

表2 L245MB埋地輸氣管道參數Table 2 Parameters of L245MB buried gas pipeline

1.3 挖掘載荷參數

挖掘機鏟斗主要也是由鋼材構成，本文根據所搜集到的資料，對挖掘參數進行設置如表3。

表3 挖掘載荷參數Table 3 Parameters of excavating load

2 計算模型

2.1 幾何模型

挖掘荷載作用下埋地輸氣管道的動力響應過程可以抽象為半無限體在沖擊荷載下作用的問題。挖掘機以一定的挖掘力和挖掘半徑來進行挖掘。土體是半無限空間體，計算時只能選取一定的范圍。幾何模型如圖1和2所示。其中，Y為水平方向，Z為垂直方向，X方向與管道方向一致。本節主要分析挖掘載荷直接作用在埋地城市燃氣管道上的情況，分別為h=1.7m，挖掘半徑為1 m，有限元模型土體為8 m，厚度為4 m，如圖1所示。

圖2 埋地輸氣管道三維模型埋地輸氣管道三維模型Fig.2 Three dimensional model of buried gas pipeline

圖1 圖埋地輸氣管道平面模型Fig.1 Buried gas pipeline plane model

2.2 單元類型的選取、數目及網格劃分

埋地輸氣管道、埋土和挖掘機齒斗均采用ANSYS Workbench 模型庫中單元類型，單元數目如表4。

表4 埋地輸氣管道模型單元類型和單元數目表Table 4 Buried gas pipeline model element type and unit number

2.3 有限元模型的建立

挖掘荷載作用下埋地輸氣管道的模型用如下方法建立：首先是選定土體和管道的材料模型。利用workbench建立埋地輸氣管道在挖掘荷載作用下的動力響應模型，采用合理的邊界條件。由于土體是取較大區域，在模擬時為了減小最終誤差，有限元分析計算時，劃分網格時要對單元格進行加密，但會以增加計算機計算量為代價，因此本文在劃分單元時為了計算快捷，通過試算，在保證有足夠精度的情況下盡量減少單元的數目。對土體劃分時，在土與管道相接觸以及齒斗與管道接觸重點位置，加密網格劃分，如圖3所示。

圖3 挖掘載荷作用下輸氣管道有限元模型Fig.3 Gas pipeline finite element model under excavating load

3 計算結果分析

本節主要分析挖掘載荷直接作用在埋地城市燃氣管道上的情況，參數取值如2.1節所述。在實際施工過程中，大多數情況下都是單齒作用，因此本節選取單齒作用在埋地城市燃氣管道上的模型進行計算分析。圖4為挖掘荷載作用下埋地輸氣管道損傷過程。

在挖掘荷載作用下，輸氣管道應力圖如圖5所示。

圖4 挖掘荷載作用下輸氣管道損傷過程Fig.4 Damage process of gas pipeline under mining load

圖5 挖掘載荷作用下輸氣管道應力時程圖Fig.5 Gas pipeline stress diagram along time under excavating load

從圖5可以看出，當挖掘載荷作用在埋地輸氣管道上時，輸氣管道所受應力從0 s時刻后開始變化，在3e-3 s時達到其峰值后開始回落，在3.25e-3 s 之后開始區域平穩，管道應力波動持續與時間為2.5e-3 s，這充分說明了埋地輸氣管道在挖掘載荷作用下的管道損傷是個瞬態受力過程，整個過程發生的很快。另外，圖中還充分說明，挖掘載荷對管道的沖擊作用僅限于挖掘荷載附近單元，當遠離挖掘載荷作用范圍時，其有效應力變化微小，可忽略不計。而輸氣管道橫截面的應力狀況也比較復雜，既有拉應力，也有壓應力，圖為挖掘載荷作用下橫截面的有效應力（von-Mises應力）。在載荷作用點單元位置應力最大，在3e-3 s時到達應力最大值527.23 MPa，管道達到屈服。由于輸氣管道管壁較薄，挖掘機齒斗在作用點處使輸氣管道發生凹陷進而產生穿孔。

4 結 論

本章在考慮了材料的本構關系，接觸和合理的邊界條件后，建立了挖掘荷載直接作用在埋地輸氣管道上的有限元模型。

通過模擬挖掘機單齒作用在埋地輸氣管道上管道損傷過程，得出如下結論：

（1）挖掘機直接作用在埋地輸氣管道上時，在載荷作用位置單元處，有效應力達到最大值，隨距離荷載作用位置越遠，有效應力峰值越小，管道受挖掘機損傷過程是一個瞬態過程，作用時間短，發生頻率快。

（2）挖掘荷載作用需要一定的時間，埋地輸氣管道各單元的動力響應隨挖掘荷載的傳遞而滯后。挖掘荷載作用位置點的有效應力峰值是最大的，是荷載作用下埋地輸氣管道最先達到破壞的點。應該把有效應力作為挖掘荷載作用下埋地輸氣管道破壞的優先準則。

［1］ 呂宏慶，李均峰.管道第三方破壞的原因及預防措施[J].天然氣工業，2005，25(12)：118-120.

［2］ 宋志強，李著信，傅在善.埋地油氣管道失效分析及風險評估[EB/OL].中國儲運網Http:// www. chinachuyun.com.2010(4).

［3］ 譚凡教，陳洪泳.受沖擊荷載作用土體變形的有限元研究[J].巖土力學，2004，25(12)：2013-2016.

［4］ 蔣鵬，李榮強，孔德坊.強夯大變形沖擊碰撞數值分析[J].巖土工程學報，2000，22(2)： 222-226.

［5］ 邢義鋒，姚安林,等.滾石作用下鋼質管道動力響應分析及其應用[J].工業建筑，2009，39：462-465.

［6］ 李又綠，姚安林,等.爆炸荷載對埋地輸氣管道的動力響應和極限荷載分析[J].焊管，2009，32(11)：63-69.

［7］ 姚安林，趙師平,等.地下爆炸對埋地輸氣管道沖擊響應的數值分析[J].西南石油大學學報，2009，31(4)：170-172.

［8］ 趙師平，曾祥國,等.第三方荷載作用下埋地輸氣管道動力響應的數值模擬[J].四川建筑科學研究，2009，35(l)：134-139.

［9］ 成大先，等. 機械設計手冊[S]. 北京：化學工業出版社，2004.

Numerical Simulation of Damage Process of buried gas Pipeline Under Excavating Load

PANG Zi-xiao，A Si-han，SUN Ce, WANG Wei-qiang
（Department of Petroleum and Nature Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Excavating load damage has become common form of city buried gas pipeline damages. Excavator destruction pipeline is the process of tooth bucket act on the pipe to cause perforation or crack of the pipe. Based on ANSYS Workbench with the basic theory of nonlinear dynamic mechanics and dynamic calculation method, in the semi infinite soil medium, by controlling the displacement of excavator bucket teeth over time, the damage process of buried gas pipeline was gained by the numerical simulation analysis. The results show that it is a transient process that buried gas pipeline bears the excavating load. The most likely place of damage on gas pipeline is the location bearing digging force directly.

Buried gas pipeline; Damage process; Excavating load; Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2015）01-0209-03

2014-04-20

龐自嘯（1986-），男，河南濮陽人，研究方向：三維輸油管道研究。E-mail：chuyunpzx@163.com。