土體沉降對托架式管道跨越段應(yīng)力影響的數(shù)值分析

蔣 洋

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林吉林 132000）

土體沉降對托架式管道跨越段應(yīng)力影響的數(shù)值分析

蔣 洋

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林吉林 132000）

為了有效保障油氣長輸管道的平穩(wěn)運行，針對工程實際中托架式管道跨越段進行應(yīng)力分析，重點考察了土體沉降對管道跨越段應(yīng)力分布的影響，為設(shè)置合理的跨越角度提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，埋地水平管段發(fā)生沉降時，埋地彎管、架空彎管兩處出現(xiàn)應(yīng)力集中，架空彎管處應(yīng)力值較埋地彎管處應(yīng)力值大，減小跨越段斜管角度可有效降低上述兩處的應(yīng)力值。

土體沉降；埋地管道；托架式跨越段；應(yīng)力分析

隨著我國油氣長輸管道里程的不斷增長，管道鋪設(shè)過程中穿越的地形、地貌也變得更為復(fù)雜多變，因地質(zhì)災(zāi)害而破壞的管道也逐漸增加[1]。其中，土體沉降較為常見，而且土體沉降對管道造成的影響極大。特別是對管道的跨越段，土體沉降常常導(dǎo)致管道產(chǎn)生過量的塑性，造成管道的失效，不但影響油氣的正常運輸，而且還會造成安全隱患[2]。因此，采用有限單元法對托架式管道跨越段進行數(shù)值分析，對跨越段進行應(yīng)力評定，提供合理的跨越角度，為工程實際提供設(shè)計依據(jù)。

1 模型建立

托架式管道跨越段包括：埋地水平管段、埋地彎管、斜管段、架空彎管、架空處水平管段。土體沿河岸發(fā)生沉降，埋地水平管段為土體沉降區(qū)域。本文重點研究埋地水平管段土壤發(fā)生沉降，土壤最終沉降載荷對托架式管道跨越段的影響，所以假設(shè)土體為均勻沉降。

選取某在建天然氣長輸管道項目濱州站附近跨越段為例進行分析，該長輸管道工作壓力為5.7MPa，工作溫度為17℃，介質(zhì)為純凈壓縮天然氣，燃氣密度為0.57kg/m3。管道內(nèi)徑D=813mm，有效壁厚為t=17.3mm，材質(zhì)為L485M，彈性模量為2.3×105MPa，泊松比為0.3，管道密度為7 850kg/m3。管道埋深2.5m，采用3PE防腐，假設(shè)土體為彈性體，彈性模量為30MPa，土壤重力3 200N/m3，泊松比為0.25。埋地水平管段長為10m，埋地彎管和架空彎管曲率半徑為D，架空段水平管段長度為3m，預(yù)設(shè)斜管段角度為60°，斜管段水平高度為5m。

架空處水平管段有支撐梁，可以認為其受力后在任意方向上不存在位移，即該處施加固定端約束。埋地水平管道約束水平方向位移，埋地水平管端面施加軸向力和徑向土體載荷[3]。考慮管道自身及介質(zhì)重力，重力加速度為9.8m/s2，因介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度相差不大，不考慮熱應(yīng)力。采用實體單元solid186進行六面體網(wǎng)格劃分，管道壁厚方向份數(shù)為兩份，架空彎管及架空直管段有限元模型見圖1。

2 數(shù)值計算與結(jié)果分析

圖2為當管道上方土體發(fā)生沉降時整個跨越段的應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，埋地水平管段發(fā)生沉降時，對埋地彎管、架空彎管影響較大，存在應(yīng)力集中，Von Mises最大應(yīng)力點出現(xiàn)在水平架空彎管處，為526.4MPa。管道材質(zhì)L485M的許用應(yīng)力值為485MPa，當應(yīng)力值超過管道自身的屈服強度時，認為管道發(fā)生塑性變形將發(fā)生破壞，即該種布置方式不合理。其他條件不變，將預(yù)設(shè)斜管段角度為45°。由圖2可見，與預(yù)設(shè)斜管段角度為60°應(yīng)力分布規(guī)律相同，埋地彎管、架空彎管兩處Von Mises應(yīng)力較大。同樣，應(yīng)力極值點仍出現(xiàn)在水平架空彎管處。但最大值減小為479.7MPa，小于管道自身的屈服強度485MPa，可見減小預(yù)設(shè)斜管段角度可有效降低跨越段的管道應(yīng)力，該種布管方式可以滿足工程需要。

圖1 土體沉降后跨越段應(yīng)力云圖

圖2 預(yù)設(shè)斜管段角度為45°時土體沉降后跨越段應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

土體沉降對托架式管道跨越段應(yīng)力影響較大，埋地彎管、架空彎管兩處出現(xiàn)應(yīng)力集中，工程中應(yīng)注意以上兩處的應(yīng)力值，避免因過量塑性變形所導(dǎo)致的管道失效。此外，減小跨越端斜管角度可有效降低彎管處的應(yīng)力值。

[1] 尚爾京，于永南.地層塌陷區(qū)段埋地管道變形與應(yīng)力分析[J].西安石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，24（4）：46-49.

[2] 劉仕鰲，蒲紅宇，劉書文，等.埋地管道應(yīng)力分析方法[J].油氣儲運，2012，31（4）：274-278.

[3] GBT9711—2017，石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

[4] 張一楠,馬貴陽,周瑋,等.沉降土體對管道跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響的分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2015,11(8)： 106-111.

[5] 馬貴陽,杜明俊,李丹.永凍區(qū)埋地管道周圍土壤水熱力耦合數(shù)值計算[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2011,35(3)：108-114.

Numerical Analysis of the Influence of Soil Settlement on the Stress of Barrier Pipeline

Jiang Yang

In order to effectively ensure the smooth operation of long-distance oil and gas pipelines，the stress analysis of the cross-section of the brackets in engineering practice is carried out.The influence of soil settlement on the stress distribution of the pipeline cross section is studied emphatically.in accordance with.The results show that the stress concentration of the buried pipe and the overhead elbow occurs when the buried pipe is settled，and the stress value of the overhead elbow is larger than that of the inflow pipe.Reduce the stress value of the above two.

soil subsidence；buried pipeline；bracket type cross section；stress analysis

TU991.05

B

1003-6490（2017）12-0025-01

2017-09-20

蔣洋（1988—），男，吉林吉林人，助教，主要研究方向為油氣儲運技術(shù)。