輸氣管道滑坡災(zāi)害影響因素敏感性分析

胡生寶，毛 建，曾躍輝

(1.中石油管道有限責(zé)任公司 西氣東輸分公司銀川管理處，寧夏 銀川 750001；2.中石油管道有限責(zé)任公司 西氣東輸分公司，上海 200122；3.彭州華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰荆拇?彭州 611930)

輸氣管道滑坡災(zāi)害影響因素敏感性分析

胡生寶1，毛 建2，曾躍輝3

(1.中石油管道有限責(zé)任公司 西氣東輸分公司銀川管理處，寧夏 銀川 750001；2.中石油管道有限責(zé)任公司 西氣東輸分公司，上海 200122；3.彭州華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰荆拇?彭州 611930)

為保證輸氣管道在滑坡災(zāi)害下能夠安全運(yùn)行，需對(duì)輸氣管道滑坡災(zāi)害進(jìn)行影響因素敏感性分析，以識(shí)別出管道應(yīng)力與影響因素之間的敏感狀況.利用ABAQUS有限元軟件建立輸氣管道滑坡災(zāi)害數(shù)值分析模型，計(jì)算出管道的最大Mises應(yīng)力值；應(yīng)用敏感性系數(shù)分析法分析了輸氣管道滑坡災(zāi)害的主要影響因素，得出主要影響因素與管道應(yīng)力之間的變化規(guī)律.計(jì)算結(jié)果表明，管道在橫穿滑坡區(qū)域時(shí)，除管道壁厚與管道應(yīng)力呈反向變化關(guān)系外，滑坡寬度、內(nèi)摩擦角度、土體黏聚力、管道埋深和管內(nèi)壓力都與管道應(yīng)力呈正向變化關(guān)系；管道壁厚為影響管道應(yīng)力的關(guān)鍵因素，其余各因素敏感性從強(qiáng)到弱的排列順序?yàn)椋聦挾?土體黏聚力>內(nèi)摩擦角>管內(nèi)壓力>管道埋深.

輸氣管道；滑坡；敏感性分析；ABAQUS；數(shù)值模擬

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離輸送天然氣管道(以下簡(jiǎn)稱(chēng)管道)已形成橫貫東西，縱貫?zāi)媳钡奶烊粴廨敋夤芫W(wǎng)，但地形地貌的多樣性也使建成的管道常受到各種地質(zhì)災(zāi)害的影響，其中滑坡就是影響較嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1-2].目前，相關(guān)專(zhuān)家對(duì)滑坡災(zāi)害下管道應(yīng)力與其影響因素進(jìn)行了研究，且取得了一定的研究成果[3-6].但以上研究均未涉及對(duì)管道應(yīng)力影響因素的敏感性分析.鑒于此，本研究采用ABAQUS有限元軟件對(duì)滑坡災(zāi)害下管道的受力情況進(jìn)行模擬，綜合考慮影響滑坡災(zāi)害下管道受力的各主要因素，并分析出各因素的敏感性順序，識(shí)別出關(guān)鍵因素，以期為滑坡災(zāi)害下輸氣管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防災(zāi)減災(zāi)措施的制定提供相關(guān)依據(jù).

1 管道滑坡災(zāi)害有限元模型

1.1 土體滑動(dòng)平面模型的建立

目前，管道穿越滑坡體的方式有3種，即橫穿、縱穿與斜穿，而橫向穿越是最常見(jiàn)的滑坡體穿越方式，在該種穿越方式下管道受力最大，最容易失效[7].因此，本研究重點(diǎn)分析管道在滑坡體中橫向穿越的情況.通常，管道在橫穿滑坡體時(shí)，因滑動(dòng)土體摩擦力的作用，管道不僅會(huì)因土體下滑彎曲變形而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，還會(huì)導(dǎo)致滑坡體兩端的管道受到拉應(yīng)力甚至剪切破壞.管道橫穿滑坡體的示意圖如圖1所示.

圖1管道橫穿滑坡體示意圖

本研究以實(shí)際工程為例，通過(guò)建立ABAQUS有限元模型對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析.模型中，管道管材為X80鋼，管道直徑取1 016 mm，管道壁厚取17.5 mm，管道埋設(shè)深度為2 m，管道的設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為8 MPa.管道穿越滑坡體的主要參數(shù)如表1所示.

表1 管道穿越滑坡體的主要參數(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，土體滑動(dòng)對(duì)管道的影響可通過(guò)在土體端面施加位移載荷的方式代替，并且當(dāng)管道后方土體長(zhǎng)度大于管徑5倍時(shí)，其導(dǎo)致管道的極限彎曲影響已不明顯[8].根據(jù)管道直徑大小，本研究所建模型通過(guò)在管道后方6 m的土體上施加位移載荷來(lái)模擬滑動(dòng)土體對(duì)管道的影響.為更加貼近滑坡實(shí)際工況，通常認(rèn)為非滑動(dòng)區(qū)的寬度應(yīng)大于滑動(dòng)區(qū)寬度的1/4[8].因此，取整個(gè)坡體寬度為40 m，其中滑動(dòng)土體寬度為20 m，非滑動(dòng)土體寬10 m，土體厚度為8 m，建立如圖2所示的土體滑動(dòng)平面示意圖.

圖2土體滑動(dòng)平面示意圖

1.2 管土相互作用模型選擇

目前，常用的管道與土體相互作用模型可分為彈性地基梁模型、土彈簧模型和非線性接觸模型3種.本研究在對(duì)這3種相互作用模型的優(yōu)缺點(diǎn)[9]和使用條件進(jìn)行對(duì)比的基礎(chǔ)上，根據(jù)管道滑坡災(zāi)害模擬的實(shí)際情況選擇非線性接觸模型.

1.3 邊界條件設(shè)定及網(wǎng)格劃分

1)邊界條件.在滑坡災(zāi)害下，管道因受到滑動(dòng)土體的影響，既可能發(fā)生豎直方向上的位移，也可能發(fā)生水平方向上的位移，但管道兩端的非滑動(dòng)區(qū)土體仍保持穩(wěn)定，限定了管道所有方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng).據(jù)此，可將管道兩端面設(shè)定為固定約束.

2)網(wǎng)絡(luò)劃分.網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)管道滑坡災(zāi)害模擬結(jié)果有著重要影響，網(wǎng)格劃分越細(xì)，模擬結(jié)果也與真實(shí)情況越接近，但計(jì)算成本也就越高.因此，應(yīng)該從計(jì)算精度和計(jì)算成本兩方面綜合考慮網(wǎng)格的劃分，本研究管道和土體網(wǎng)格劃分的分別如圖3所示.

(a)管道網(wǎng)格劃分

(b)土體網(wǎng)格劃分

圖3模型對(duì)象網(wǎng)格劃分示意圖

1.4 管道應(yīng)力計(jì)算

在滑動(dòng)區(qū)寬度為20 m的條件下，通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件計(jì)算出管道的Mises應(yīng)力云圖如圖4所示.

圖4滑坡災(zāi)害下管道的Mises應(yīng)力云圖

從圖4可知，管道的最大Mises應(yīng)力值為466.2 MPa，其位于滑動(dòng)區(qū)與非滑動(dòng)區(qū)的過(guò)渡段區(qū)域.且由計(jì)算出的管道最大Mises應(yīng)力值小于管道的屈服極限499.5 MPa可知，該輸氣管道目前處于安全運(yùn)行狀態(tài)[10].

2 滑坡災(zāi)害下管道應(yīng)力敏感性分析

管道應(yīng)力敏感性分析，是指通過(guò)改變一個(gè)或者多個(gè)影響因素，分析管道應(yīng)力的變化情況，以確定出各因素對(duì)于滑坡災(zāi)害下管道應(yīng)力之間的影響關(guān)系[11].

2.1 敏感性因素選擇

滑坡災(zāi)害下的管道應(yīng)力影響因素可以分成3種類(lèi)型：第一種是滑坡土體性質(zhì)對(duì)管道應(yīng)力的影響，如滑坡寬度、內(nèi)摩擦角度、土體黏聚力等；第二種是管道自身因素對(duì)管道應(yīng)力的影響，如管道壁厚、管道埋深等；第三種是管內(nèi)介質(zhì)情況對(duì)管道應(yīng)力的影響，如管內(nèi)壓力.

2.2 敏感性分析方法

由于影響滑坡災(zāi)害下管道應(yīng)力的因素較多，為達(dá)到簡(jiǎn)化模擬過(guò)程并定量分析影響因素與管道應(yīng)力間數(shù)值關(guān)系的目的，本研究選擇單因素分析法中的敏感性系數(shù)分析法對(duì)影響因素進(jìn)行敏感性分析.敏感性系數(shù)分析法每次只改變一個(gè)影響因素，其他因素保持恒定即參考值，觀察模型響應(yīng)值f(x)的變化，其中參考值的設(shè)定情況如表2所示.敏感性系數(shù)分析法的計(jì)算公式[11]為，

(1)

(2)

(3)

式中，ηi為因素對(duì)模型的敏感性系數(shù)；xi為因素各級(jí)水平值；xi0為因素設(shè)定的參考值；f(xi)為因素為第i級(jí)水平時(shí)模型的響應(yīng)值；f(xi0)為因素在參考值時(shí)模型的響應(yīng)值.

|ηi|值的大小表示因素敏感性的強(qiáng)弱.|ηi|值越大，表示影響因素的敏感性越強(qiáng)，則其對(duì)目標(biāo)的影響越大；反之，該影響因素的敏感性越弱，則其對(duì)目標(biāo)的影響越小.

表2 敏感性分析的參考值

2.3 管道應(yīng)力敏感性

在分析管道應(yīng)力敏感性時(shí)，本研究分別以表1和表2的數(shù)據(jù)建立管道滑坡災(zāi)害有限元模擬模型.計(jì)算出管道最大Mises應(yīng)力值，再分別以參考值的±10%、±20%、±30%、±40%、±50%為變化量改變模型的影響因素，通過(guò)ABAQUS有限元軟件計(jì)算出管道的最大Mises應(yīng)力值.計(jì)算結(jié)果如表3所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制的影響因素敏感性分析圖如圖5所示.

表3 管道最大Mises應(yīng)力值匯總表

圖5滑坡災(zāi)害下管道應(yīng)力影響因素敏感性分析圖

根據(jù)圖5可知，在影響滑坡災(zāi)害下管道應(yīng)力的眾多因素中，除管道壁厚與滑坡災(zāi)害下管道應(yīng)力呈反向變化關(guān)系外，其余各影響因素都呈正向變化關(guān)系.

在得出各影響因素與管道間的應(yīng)力變化規(guī)律后，將表3內(nèi)的計(jì)算結(jié)果帶入式(1)～式(3)即可求出在相同變化量下各影響因素的敏感性系數(shù).各影響因素的敏感系數(shù)如表4所示，其對(duì)應(yīng)的敏感系數(shù)關(guān)系圖如圖6所示.

表4 不同影響因素的敏感系數(shù)表

2.4 敏感性因素分析與結(jié)果

2.4.1 滑坡寬度.

隨著滑坡寬度的增加，管道應(yīng)力對(duì)滑坡寬度的敏感度系數(shù)減小，其敏感度系數(shù)的變化范圍為0.62～1.05.表明隨著滑坡寬度增大，滑坡寬度對(duì)管道應(yīng)力的影響程度減弱，且減弱效果明顯.

圖6不同影響因素的敏感系數(shù)變化關(guān)系圖

2.4.2 內(nèi)摩擦角度.

隨著滑動(dòng)土體內(nèi)摩擦角度的增加，管道應(yīng)力對(duì)內(nèi)摩擦角度的敏感度系數(shù)減小，其敏感度系數(shù)的變化范圍為0.40～0.63.表明隨著土體內(nèi)摩擦角度增大，土體內(nèi)摩擦角度對(duì)管道應(yīng)力的影響程度減弱，但減弱效果不太明顯.

2.4.3 土體黏聚力.

隨著滑動(dòng)土體黏聚力的增加，管道應(yīng)力對(duì)土體黏聚力的敏感度系數(shù)減小，其敏感度系數(shù)的變化范圍為0.25～0.73.表明隨著土體黏聚力增大，土體黏聚力對(duì)管道應(yīng)力的影響程度減弱，且減弱效果明顯.

2.4.4 管道壁厚.

隨著管道壁厚的增加，管道應(yīng)力對(duì)管道壁厚的敏感度系數(shù)的絕對(duì)值在減小，其敏感度系數(shù)的變化范圍為-0.57～-1.16.表明隨著管道壁厚增大，管道壁厚對(duì)管道應(yīng)力的影響程度減弱，且減弱效果明顯.

2.4.5 管道埋深.

隨著管道埋深的增加，管道應(yīng)力對(duì)管道埋深的敏感度系數(shù)幾乎保持不變，其敏感度系數(shù)的變化范圍為0.15～0.22.表明隨著管道埋深增大，管道埋深對(duì)管道應(yīng)力的影響程度保持不變.

2.4.6 管內(nèi)壓力.

隨著管內(nèi)壓力的增加，管道應(yīng)力對(duì)管內(nèi)壓力的敏感度系數(shù)幾乎保持不變，其敏感度系數(shù)的變化范圍為0.26～0.31.表明隨著管內(nèi)壓力增大，管內(nèi)壓力對(duì)管道應(yīng)力的影響程度保持不變.

2.4.7 結(jié) 論.

根據(jù)敏感度系數(shù)的計(jì)算結(jié)果可以得出各個(gè)因素敏感性從強(qiáng)到弱的排列順序?yàn)椋汗艿辣诤?滑坡寬度>土體黏聚力>內(nèi)摩擦角>管內(nèi)壓力>管道埋深.因此，當(dāng)管道處于設(shè)計(jì)施工階段時(shí)，如果管道需從滑坡區(qū)或潛在不穩(wěn)定斜坡區(qū)穿過(guò)，一方面可通過(guò)適當(dāng)增加管道壁厚以提高管道承受滑坡災(zāi)害的能力；另一方面可采用輕質(zhì)回填材料對(duì)管道進(jìn)行回填.當(dāng)管道處于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)階段時(shí)，可以在滿(mǎn)足輸氣量的前提下適當(dāng)降低管道的運(yùn)行壓力.

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究顯示，除管道壁厚與滑坡災(zāi)害下輸氣管道應(yīng)力呈反向變化關(guān)系外，滑坡寬度、內(nèi)摩擦角度、土體黏聚力、管道埋深和管內(nèi)壓力都與滑坡災(zāi)害下輸氣管道應(yīng)力呈正向變化關(guān)系.輸氣管道壁厚對(duì)滑坡災(zāi)害下管道應(yīng)力的影響最大，各因素敏感性從強(qiáng)到弱的排列順序?yàn)椋汗艿辣诤?滑坡寬度>土體黏聚力>內(nèi)摩擦角>管內(nèi)壓力>管道埋深.本研究認(rèn)為，將敏感性分析引入到了滑坡災(zāi)害下管道的應(yīng)力分析中，在一定程度上可定量分析各因素與輸氣管道應(yīng)力之間的規(guī)律，此為制定滑坡災(zāi)害管道的防治措施提供了一定的借鑒依據(jù).

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SensitivityAnalysisofInfluencingFactorsofLandslideinGasPipeline

HUShengbao1,MAOJian2,ZENGYuehui3

(1.Yinchuan Management Office, West-East Gas Pipeline Company，Ningxia 750001, China; 2.West-East Gas Pipeline Company, China Petroleum Pipeline Co., Ltd., Shanghai 200122, China; 3.Pengzhou China Resources Gas Co., Ltd., Pengzhou 610500, China)

In order to ensure the safe operation of the gas pipeline in the landslide disaster,it is necessary to analyze the sensitivity of the influencing factors of the landslide hazard of the gas pipeline to identify the sensitive relationship between the pipeline stress and the influencing factors.The numerical analysis model of landslide hazard is established by using ABAQUS finite element software to calculate the maximum Mises stress value of the pipeline.The main factors influencing the landslide hazard of gas pipeline are analyzed by sensitivity coefficient analysis,and the analysis identifies the main influencing factors and the law of change between pipeline stresses.The results show that the landslide width,internal friction angle, soil cohesion,pipeline depth and pipe pressure are all positive with the pipeline stress when the pipe crosses the landslide,while the pipe wall thickness is inversely related to the pipe stress.The relationship between the thickness of the pipe and the wall is the key factor affecting the stress of the pipeline.The sensitivity of the other factors rank as the following:landslide width,the soil cohesion,the internal friction angle,the pipe pressure and the pipeline depth.

gas pipeline;landslide;sensitivity analysis;ABAQUS;numerical simulation

TE973；P642.22

A

1004-5422(2017)04-0427-05

2017-07-06.

胡生寶(1975 — )，男，工程師，從事油氣管道完整性相關(guān)技術(shù)研究.