埋地輸氣管道落石沖擊響應的試驗研究

馬文江　李海勝

摘要：隨著管道工業的發展，管道安全性也越來越受到重視，落石沖擊等第三方破壞已逐漸成為埋地管道失效破壞的主要因素。關于落石沖擊作用下埋地管道的動態響應的數值模擬研究較多，而試驗方面的研究特別是現場試驗并不多見。首先搭建可用于落石沖擊下埋地管道動態響應試驗研究的試驗平臺，進而基于此試驗平臺針對埋地輸氣管道在不同高度下的落石沖擊響應進行現場試驗研究。研究表明，隨著落石高度的增加，落石沖擊時間稍有增加，管道應變及沉降量逐漸增加，在落石能量約為56.84 kJ時，管道頂面落石沖擊點區域附近出現塑性變形。相關結果可以為輸氣管道的安全鋪設及安全評估提供參考。

關鍵詞：落石沖擊；輸氣管道；結構安全性；試驗研究

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）09-0023-06

0引言

自1959年我國建成第一條長距離輸油管線（新疆克拉瑪依至獨山子段輸油管道）以來，經過50余年的發展建設，我國管道事業已逐步達到當代國際先進水平。但是隨著管道工業的蓬勃發展，我國埋地管道的故障率也是略高于經濟發達國家阿。影響管道安全的因素主要有：設計、施工缺陷、第三方破壞、腐蝕、自然災害以及誤操作等方面。其中，落石沖擊等第三方破壞已逐漸成為埋地管道失效破壞的主要因素。特別是在地質災害發育地區，埋地管道易受到崩塌落石的沖擊作用，從而發生破壞失效。因而，近年來，落石沖擊下埋地管道破壞機理以及防護愈加受到關注。

崩塌落石對埋地管道的危害主要是由于崩塌落石對管道產生沖擊載荷，管道因落石對其上方土體產生的瞬間沖擊力和落石重力而產生相應應力，當應力超過管道許用安全極限應力時，管道發生變形失穩破壞川。對于崩塌落石對埋地管道的危害性，國內外已有多方面研究，特別是最近二十年來崩塌落石危害性受到越來越多的關注。在數值模擬分析方面，王磊等通過結合運動學和概率統計分析，并采用Rockfall軟件對危巖運動情況進行了模擬，并比較計算了兩種落石沖擊力計算方法。鄧學晶等采用離散元軟件3DEC對落石沖擊埋地管道進行了數值模擬，考察了影響管道表面最大土壓力和管道變形的主要因素——落體質量和沖擊速度的影響。邢義鋒等利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，考慮多方面影響因素對落石沖擊過程進行了數值模擬分析，得到了管道響應規律。而與之相比，落石沖擊試驗方面研究內容則較少。楊其新等采用小比尺的模擬棚式明洞，通過重錘自由下落到土槽的試驗方法，找出了落石對具有不同厚度填土緩沖層的明洞產生沖擊力的變化規律，提出了計算落石沖擊力的試驗式。張瑜等對隧道逃生管道進行了橫向沖擊荷載的室外現場實驗，研究了落石-管道-砂墊層系統中沖擊能量與變形模態、凹陷變形之間的關系，但是該試驗只是針對管道在沖擊載荷下的變形，未考慮土體與管道的相互作用影響。Prisco等為研究土體-管道的縱向相互作用關系而進行了小規模室內平面應變試驗，獲得了不同方向激勵下不同相對深度的管道側向相應響應曲線。但是對于實際崩塌落石沖擊來說，沖擊過程具有沖擊能量大、作用時間短、相互作用復雜等特點，室內試驗等方法難以準確模擬實際沖擊過程。因而，為研究管道-土體相互作用關系，獲得準確可靠的落石沖擊相關數據，室外現場模擬試驗必不可少。

基于上述原因，本文參照淺埋輸氣管道實際服役環境搭建了室外現場模擬試驗平臺。通過該試驗平臺，進行了不同落石高度條件下的落石沖擊試驗，得到了不同狀態下管道垂直位移量及管道不同位置應變量的動態變化規律。研究結果可為進一步研究崩塌落石對埋地管道的影響提供技術儲備和數據支持

1試驗方法

1.1試驗原理

崩塌落石是陡峭斜坡上個別危巖因某種原因脫離巖體，以傾倒、滾動或跳躍等方式向坡下運動的一種動力地質現象。崩塌落石墜落地面時，具有較大沖擊速度，并與水平面成一定角度，即崩塌落石具有較大沖擊力。

試驗通過模擬埋地管道實際服役環境，在不同落石高度下對管道進行沖擊試驗。試驗中通過測量埋地管道的位移量和應變量，對沖擊作用下管道的響應規律進行研究。試驗原理示意圖如圖1所示。

落石對地面土體具有較大沖擊作用，沖擊力經土體緩沖，通過管道-土體之間的相互耦合作用，對管道產生不均勻分布力，致使管道發生損傷變形。隨著沖擊作用的結束，在管道自身彈塑性及土體彈塑性的相互作用下，管道變形會發生部分不完全復位，即當沖擊能量足夠大時，管道的最終變形量不僅包括塑性變形，還包括部分彈性變形。管道在沖擊作用下的變形主要分為兩部分：1）管道整體的彎曲變形；2）管道在沖擊熱點區域的局部變形。相對來說，管道局部彎曲變形有可能會成為管道破壞的主要因素。

1.2試驗裝置及試驗描述

此次落石沖擊現場模擬試驗為室外試驗。試驗管道為大直徑薄壁圓管——Q235螺旋縫埋弧焊鋼管。管道長度為6.5m，外徑為630mm，壁厚為5.5mm。經拉伸試驗測定，試驗管道用鋼彈性模量為205 GPa，屈服應力為267 MPa。試驗時管道埋深0.5 m。

由于石塊不宜起吊等原因，試驗中采用落錘作為沖擊物，由吊車起吊和釋放。落錘為自行設計，底部有較小弧度突起，模擬落石突起表面。落錘高度1.0m，直徑0.7 m，總質量為1.45 t。試驗中落錘自由落體墜落，從1m到7 m高度落錘每提高1m，進行一次自由落體沖擊試驗，共進行7次試驗。

為了研究埋地管道不同部位在落石沖擊作用下的響應規律，試驗時對管道多處位置的垂直位移量和應變量進行了數據采集。管道應變量的測量采用13組電阻式應變片，在管道頂面和底面不同位置對管道軸向應變進行數據采集，測量點如圖2和圖3所示。管道底面編號7對應管道頂面沖擊區域。

管道垂直位移的測量采用了3組CW-YB-30型號位移傳感器，其量程為30mm，準確度為0.1mm。對管道底面不同位置的垂直位移量進行了數據采集，垂直位移測量點如圖4所示。管道底面編號14對應管道頂面沖擊區域。

管道的數據采集采用JM5930型號動態應變振動測試系統，試驗時信號采集頻率8 kHz，其應變測量范圍為0～50000 με，準確度為1%。該系統在精度、可靠性、兼容性、工程適應性以及可擴充性等方面均有較好特性。用于管道應變測量的應變片為電阻式應變片，型號為BX120-10 AA，標稱電阻（119.5±0.1）Ω，靈敏系數2.08±1%。應變振動測試系統和電阻式應變片的測量精度直接影響著試驗結果的準確性，因而試驗前需對該測試系統進行調試并對測量應變片進行溫度補償。

2試驗結果及分析

基于此落石沖擊現場模擬試驗平臺，對淺埋輸氣管道在不同落錘高度下的動態響應規律進行了試驗研究。試驗測得管道相關數據均是在管道無內壓，埋深0.5m的條件下進行采集。落錘高度從1 m開始逐漸增加，每進行一次試驗之后對沖擊點的覆土進行平整，接著進行下一個高度的沖擊試驗。

應變測量時4通道數據失真不予采用，在落錘高度分別為2m和4m時，管道不同測點的軸向應變量和垂直位移量的時間歷程分別如圖5和圖6所示。

圖5（a）給出了管道頂面各測點的應變時間歷程，可以看出，在2 m高落錘沖擊的瞬間，各點應變迅速增加并達到峰值，峰值應變為718με，即峰值應力為147 MPa。隨著沖擊過程的發展，各點應變迅速減小，并逐漸緩慢振蕩至平衡位置。整個沖擊過程歷時約0.13 s，由于沖擊能量較小，管道變形基本上為彈性變形，因此各測點殘余應變較小，殘余應變最大值出現在測點l，即沖擊點位置附近，約為80 με，該殘余應變可能是由于落錘靜載作用及土體的塑性變形引起的。與此同時，從試驗結果可以看出，各個測點均處于壓應變狀態，這是因為落錘沖擊后管道向下凸起，因此管道上表面各點受壓。圖5（b）給出了管道底面各測點的應變時間歷程，與頂面各測點相反，底面各測點均處于拉伸狀態。其最大值出現在正對沖擊點的7測點為155με，應力約為32 MPa。圖5（c）給出了3個位移傳感器的管道豎直位移試驗結果，可以看出，在落錘沖擊作用下，管道同樣在垂直方向產生一定位移，其最大值為2.5mm。并隨著沖擊作用的結束，垂直位移量產生振蕩，并很快衰減達到一個穩定值。由管道垂直位移響應曲線可看出，管道3處測量點垂直位移并不相同，這是由兩個原因造成的：1）此時測得管道垂直位移量不僅包括管道在沖擊作用下的整體沉降量，還包括管道的彎曲變形量，即測得管道垂直位移量為管道沉降和彎曲變形共同作用的結果；2）落錘沖擊點誤差，即沖擊作用點有所偏移，并不在預計管道頂面正中心位置。值得注意的是，在實際試驗過程中，編號4的傳感器沒有有效數據輸出，因此在圖5（a）中并未給出編號4的測試數據。

圖6（a）給出了落錘高度為4 m時管道頂面各測點的應變時間歷程，可以看出，各測點的應變時間歷程與2 m高度時結果完全不同。隨著沖擊過程的開始，各點應變迅速增加到極值，之后各點應變響應各不相同。測點1和3也即落錘沖擊點附近應變稍有減小即趨于穩定，其應變穩定值分別為24 836με和4 314με，換算成應力都已經遠遠超出管道材料的屈服應力，這表明，在4 m高度落錘沖擊下在沖擊點附近管道已經出現了明顯的塑性變形，此時的沖擊能量為56.84 kJ。而遠離沖擊點的其它測點無論是應變峰值還是穩定值都比較小，基本在836 με左右，也即171 MPa，還處于彈性狀態。圖6（1））給出了落錘高度為4m時管道底面各測點的應變時間歷程，可以看出，其變化規律同2 m高度時基本一致，都是先增加后減小到接近于0的穩定值，其應變峰值為440με左右，也即90 MPa，這表明管道底面還處于彈性狀態。圖6（c）給出了4 m落錘高度時管道豎直位移量的試驗結果，比較不同落錘高度下管道垂直位移量時間歷程可以看出，隨著落錘起落高度的增加，管道在不同落錘高度下的垂直位移量最值也有所增大且持續時間也有所增長，這是由于落錘沖擊能量增加的原因；另外，管道3處測點垂直位移量相對大小關系也有所不同，這是由于落錘沖擊點偏差引起的。

表1進一步分別給出了在不同落錘高度沖擊下各個位移測點的最終豎直位移量。

落石沖擊試驗過程為累積試驗，即每一落錘高度沖擊過程均是在前一落錘高度沖擊過程結果的基礎上進行沖擊試驗。這也就造成了試驗中土體和管道變形的累加性。因而，在落錘高度較大時，個別測量點應變量和管道沉降量與沖擊過程邏輯結果不相符。在數值模擬分析時，應當選取適當落錘高度下的試驗結果進行參照。落石沖擊試驗數值模擬以落錘高度2 m的試驗數據為參照。

3結束語

1）結合淺埋輸氣管道實際服役環境，自主搭建了用于研究管道落石沖擊下響應規律的試驗平臺，并通過此試驗平臺，獲得了不同落石高度下管道的響應規律。

2）落石沖擊作用下，管道的損傷變形主要是由管道的局部變形引起的，管道整體的彎曲變形影響較小；管道垂直位移則主要是由管道沉降引起的，管道變形對其影響較小。

3）隨著落石沖擊能量的增加，管道變形量及沉降量也會有所增加，且沖擊作用持續時間也會增加，會在埋地管道中產生塑性變形。在沖擊能量超過56.84 kJ之后，管道會出現較大面積的塑性變形，結構存在較大的安全隱患。

4）所得試驗結果可為進一步研究淺埋輸氣管道落石沖擊下的動態響應規律提供數據支持，并為輸氣管道的安全鋪設和防護堤供參考。