占壓荷載下管道應力定量評估及規律研究

馬曉強

摘 要：由于長輸管道線路長、經過地區地質情況和人文環境復雜，管道沿線地質災害或者第三方活動等容易對管道造成占壓。為定量評估占壓荷載作用下管道安全情況，需對占壓荷載作用下管道應力進行定量計算。另外，本文計算出了地面占壓載荷作用下長輸天然氣管道在不同情況下的應力大小及變化規律，為管道保護工作提供了參考。

關鍵詞：天然氣；長輸管道；占壓荷載；應力計算；安全評估

我國天然氣工業處在快速發展時期，天然氣管道建設里程不斷增加[1]。由于長輸管道線路長、經過地區地質情況和人文環境復雜，管道沿線地質災害或者第三方活動等容易對管道造成占壓[2]。對占壓荷載下管道應力進行定量計算可以模擬管道形變及應力變化情況，準確評估管道是否發生疲勞破壞或者應力損傷，對管道完整性管理有著重要的意義。

1.管-土作用模型

目前工程上主要采用簡化的理想模型來模擬管道-土壤間的相互作用，比較常見的管道-土壤作用模型有：彈性地基梁模型、土彈簧模型和非線性接觸模型[3-5]。本文采用土彈簧模型 [6]。美國土木工程師協會ASCE《埋地管道設計手冊》給出了土壤等效為非線性彈簧的方法，通過計算土壤的受力-位移關系來確定土彈簧的特性參數[7]。

1.1 管道模型

對埋地管道進行建模時，將埋地管道視為等徑、無腐蝕的鋼制圓管，忽略管道焊縫的影響。兼顧計算精度和計算量大小，利用四邊形板殼單元建立管道模型。板殼單元為4節點單元，每個節點分別有6個自由度，板殼單元厚度為管道壁厚。

1.2 土壤模型

根據美國土木工程師協會給出的方法，管道周圍土壤等效為在軸向、水平和豎直三個方向上的非線性彈簧，簡稱土彈簧。土彈簧一端約束全部自由度，一端連接管道單元節點，將土壤對管道的約束離散為在管道單元節點上三個方向的土彈簧約束，如圖1所示。軸向、水平、豎直方向上土彈簧的特性參數通過手冊給出的公式計算得出。

1.3 載荷加載

對于管道上方因為塌方、采礦等外力因素造成的占壓，若占壓壓力沒有超過管道下方土壤的極限承載能力，占壓載荷簡化為均勻占壓，占壓載荷為均布靜載荷；若占壓壓力超過管道下方土壤的極限承載能力，占壓段管道沉降對兩側管道產生軸向拉應力，此時占壓載荷視為局部載荷。

2.管道占壓特例計算

在本文中，選取某輸氣管道干線為計算對象，管道材料為X65鋼，彈性模量為207GPa，泊松比為0.3，取安全系數為0.72，管道屈服強度為432MPa[8]。計算管段長度為20m，管道外徑為711mm，管道壁厚為14.2mm，忽略管道外防腐涂層的影響。

某攪拌站由于在管道上方堆放石子形成占壓，占壓物為堆積石子，堆積高度為8m，管道埋深為2m，管道內壓8.5MPa，管道壁厚14.2mm。將占壓石子重量等效為對地面的壓力，加載計算，計算出管道最大等效應力為435MPa，已經大于管道設計許用應力432MPa，因此此處占壓需盡快治理。由于最大變形量為17.2mm，應檢測防腐層是否脫落破損。

3.占壓情況下管道應力變化規律

3.1 占壓載荷對管道應力的影響

管道內壓分別取0MPa、4MPa和8MPa，埋深為2m，管周土壤為硬質砂土，管道周圍砂土內摩擦角為30°，分別取占壓載荷為0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa。管道應力變化如圖3所示。由圖3知，在其他條件不變的情況下，管道最大等效應力隨著占壓載荷的增加近似呈線性增加。

3.2 管道埋深對管道應力的影響

隨著深度的增加，土壤對管道的力學特性發生變化，深度越深土壤對管道的作用力越大。同時，隨著埋深的增加，管道上覆土壤重量隨之增加，管道所受土壤壓力也增加。管道周圍為致密砂土，占壓載荷為0.1MPa時，管道運行工況壓力分別為0MPa、4MPa和8MPa時，管道埋深對管道最大等效應力變化的影響如圖4所示。

由圖4可知，隨著管道埋深的增加，管道最大等效應力逐漸減小。因而，增加管道的埋深是管道保護的有效手段，在考慮管道施工成本的前提下應盡量增加管道埋深。

3.3 土壤特性對應力的影響

管道承受0.1MPa的占壓載荷，埋深為2m，在內壓為8MPa的情況下，若管道周圍土壤為砂土，在不同內摩擦角下，管道應力變化情況如圖5所示，若管道周圍土壤為粘土，在不同粘聚力情況下，管道應力變化情況如圖6所示。

由圖5知，砂土在致密和疏松情況下管道最大等效應力相同，隨著內摩擦角的增加，土壤對管道的約束能力增加，管道最大等效應力呈指數減小。由圖6知，隨著粘聚力的增加，管道所受約束隨之增加，管道最大等效應力呈指數減小。

對比圖5和圖6，致密砂土和疏松砂土的作用效果相同，因為砂土的主要特性為內摩擦角，即砂土由于土壤顆粒之間的摩擦作用產生約束力，與土壤是否板結、致密沒有太大關系。硬質粘土和軟質粘土作用效果不同，因為粘土的主要特性為粘聚力，即粘土對管道的作用力主要是粘土分子之間的作用力，這種力和土壤的板結、致密程度為正相關。

4.結論

通過以上研究，本文主要得出以下結論：

（1）在不同占壓載荷情況下，隨著占壓載荷的增加，管道最大等效應力線性增加，其中管道內壓為0MPa時，隨著占壓載荷增加，管道最大等效應力增加較快。

（2）對于淺埋管道，管道埋深是影響管道應力的重要因素。管道在帶壓和不帶壓情況下，隨著管道埋深的增加，土壤對管道約束加強，管道最大等效應力呈線性減小。

（3）不同土壤特性情況下，管道應力變化也不相同。在砂土作用下，隨著內摩擦角的增加，管道受到約束加強，最大等效應力變小。致密砂土和疏松砂土作用效果相同。在粘土作用下，隨著粘聚力增加，管道受到約束加強，最大等效應力變小。硬質粘土和軟質粘土作用效果不同，硬質粘土對管道的約束效果要好。

參考文獻

[1]潘家華.我國天然氣管道工業發展前景預測[J].油氣儲運，2011，30.

[2]帥鍵，王曉霖，葉遠錫等.地面占壓荷載作用下的管道應力分析[J].中國石油大學學報（自然科學版），2009.

[3]龍馭球.彈性地基梁的計算[M].北京：人民教育出版社，1981.

[4]王翔.地震災害作用下長輸天然氣管道安全性研究[D].中國石油大學（華東），2012

[5]劉仕鰲，蒲紅宇，劉書文等.埋地管道應力分析方法[J].油氣儲運，2012，31.

[6]喻建勝，張鵬，彭星煜等.提高我國高強度輸氣管道設計系數研究[J].油氣儲運，2009.

（作者單位：中國石油化工股份有限公司天然氣榆濟管道分公司）