淺談山體滑坡區域內長輸埋地油氣管道強度研究

黃剛（中石化管道儲運有限公司聊城輸油處，山東 聊城 252000）

管道輸運是重要的運輸方式之一，同時埋地管道以成為長距離輸送原油、天然氣等介質的重要舉措，但隨著管道鋪設量的逐漸增加，長輸埋地管道需要穿越各種復雜的地質環境，但考慮到地域地形的多變性，埋地管道不可避免的會遭受到地質災害所帶來的潛在威脅，，山體滑坡同樣是引起埋地管道失效的重要原因，如何有效的預測山體滑坡作用下埋地管道的承載力已被眾多學者予以廣泛關注。

1 山體滑坡區域內長輸埋地油氣管道強度研究現狀

目前，部分學者已經開始對于山體滑坡區域內長輸埋地油氣管道強度失效的問題進行了深入的研究工作，但主要是集中于斷層作用下，對于山體滑坡作用下的這一誘因的研究相對較少。同時部分開展的研究分析都沒有全方位的考慮幾何、和接觸的非線性，難以準確的預測偏移后管道應變軟化階段的承載能力。[1]雖對管道材料應變軟化階段的力學響應做過研究，但如果想要更深入的探討在山體滑坡區域內長輸埋地油氣管道強度的強度失效機理，對發生偏移后管道上所發生的裂縫從萌生到斷裂的整個過程的全面描述是具有十分重要的價值意義的。[1]國外目前對于該領域的相關標準有較為完善的經驗，但目前我國的設計標準工作還基本處于空白階段，急需建立起符合國情的安全評價方法，以此來為今后管道從設計到制造，從檢驗到風險評估，都能有一個十分完善的技術支持。

2 山體滑坡作用下埋地管道承載能力分析

本文通過假設焊縫力學性能與管道木材相同，且土體的力學基本性能為線彈性，同時在山體滑坡的過程中，管道與周圍的土體偏移方向是沿著軸線方向呈多項式的分布。選用X65鋼和X100鋼來作為使用材料，應變曲線如圖2-1所示。依據土體的性能取粘土層的基本參數，將變形模量設定為28MPa，泊松比設定為0.45。在計算中選取的管道直徑為813mm，其設計壓力為6.3mPa。同時在山體滑坡過程中，土體是推動著管道同時進行運動。由于管道和周圍的土體會受到十分復雜的外力作用，基本很難用簡單的彎曲和剪切力來表示，所以對于有限元分析時滑坡作用力將采用位移載荷來進行有效控制。

為了更好的驗證有限元模型的有效性，不同有限元模型條件下的管道偏移的預測結果，本文采用非線性的穩定算法來進行計算，如圖2-2所示。

結果表明，當有限元模型的預測結果不隨著網格密度的增加而出現變化時，那么就表明當前的有限元網格密度能準確的反映出模擬埋地管道在山體滑坡區域作用下的變形過程。但管道由于受到了周圍土體的推動作用而相應的產生了沿軸線方向的偏移，致使周圍的土體會對導管產生附加的作用力，同時管道將會在特定的山體滑坡區域內會產生應力。對管道在山體滑坡區域內作用下的實效過程可以將表述為：山體滑坡作用促使管道與周圍土體發生了不均勻性的偏移，同時在變形的過程中導致了管道的具體出現了明顯的應力，隨著偏移程度的不斷加劇，應力的效益將會越來越顯著，最終致使應力超過管道材料的極限承載荷，導致管道失效。

一般埋地管道的最終失效的極限偏移會跟隨著滑坡區的寬度而增加，隨著內壓的增加而逐漸減少。但同時管道的極限偏移會隨著內壓的增加而呈現出對數衰減趨勢，這充分說明管道在發生小度偏移時，其承載能力的下降不明顯。如在內壓小于設計壓力時，管道上的最大主應變只會與土體和材料有緊密關系，應將其作為工程采用應變的重要依據。

非線性穩定算法的計算效率較高，能夠清晰的描述出管道上裂縫萌生至斷裂的工程，技能滿足較好的數值穩定性，又能保證較高的計算效率。[3]因此，在對山體滑坡區域內長輸埋地油氣管道的強度分析，可以采用該算法來作為數據支持。同時XFEM的預測方法，也能很好的預測地管道發生失效時的極限偏移結果。

3 結語

總之，由于各地區的土地性能千差萬別，目前還上文形成一套統一的理論依據來對各地土體力學行為進行準確的反映。而本文的分析只是建立在原有的文獻資料之上，各方面的探討有所欠缺，粗淺不一。為了能夠更好的對土體滑坡區域內長輸埋地油氣管道的強度進行系統性的研究，還需大量的后續補充實驗驗證和具體的實例研究，來深度完善相關資料的缺失，推動土體滑坡區域內長輸埋地油氣管道的強度研究的進一步深入發展。

[1]李又綠,徐文彬,陳華燕等.滾石沖擊作用下埋地高壓輸氣管道的可靠性分析[J].中國安全生產科學技術,2012,08(4):29-33.

[2]閆東東.埋地原油腐蝕管道的剩余強度評價[J].電子測試,2014,(4):158-160.