埋地管道在不同沖擊載荷作用下的力學應(yīng)變分析

王泰人 馬文倩 劉鵬飛

原油埋地管道受力不僅受制于土壤壓力，還有油田地面上運油車輛行駛過程中的交通振動載荷，自然災(zāi)害如地震、泥石流等作用下的強迫振動載荷及第三方施工過程中的振動載荷。我國埋地管道運行環(huán)境惡劣，主要與我國復(fù)雜地貌、原油高壓輸送及人為違法建造等密切相關(guān)。《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風險管理技術(shù)》一書總結(jié)了埋地管道地質(zhì)災(zāi)害風險現(xiàn)狀及趨勢，介紹了埋地管道地質(zhì)災(zāi)害作用下的風險識別技術(shù)、分析了不同類型沖擊振動載荷作用下埋地管道的受力應(yīng)變規(guī)律，針對性地提出應(yīng)對管理評價方式，并以蘭成渝管道為例論述了實際防治對策。本書具較強理論及實用性，適用廣泛，可為沖擊載荷作用下埋地長輸管道的力學應(yīng)變規(guī)律研究提供極好的理論及技術(shù)參考。

敷設(shè)在軟土地基中的油氣管道在上覆土層及移動車輛載荷作用下易發(fā)生縱向彎曲或變形，交通載荷是引起軟土地基沉降的主要原因之一。軟土地基承載力較低且易變形沉降，一旦地基下沉超過上限則會引起下部管道嚴重變形損壞發(fā)生滲漏或爆管等事故。埋地管道受軟基作用主要發(fā)生在密封承接插口處、焊接口、伸縮接頭、閥門法蘭及管基交叉處等。交通荷載模型中一般為大小位置不隨時間改變的恒定載荷或周期變化的簡諧載荷。目前世界各國均將其定義為靜止的集中電源或線源，而真正的載荷為一種隨機載荷。現(xiàn)今在建立模型計算過程中可將不同情況下交通載荷分別簡化為長期均勻布載、移動恒載及簡諧載荷3種。

地層中傳播的地震波及永久性土地變性二者作用引發(fā)的地震，往往對原油埋地管道造成災(zāi)難性破壞。地震的發(fā)生可能導(dǎo)致埋地管道附近電力通信中斷、地表斷裂或影響儀表儀器工作等。滑坡泥石流破壞作用與地震大體類似，其次泥石流會擠壓、拉伸或扭曲埋地管道。在地震泥石流等影響下，原油管道與周圍土壤介質(zhì)相互作用產(chǎn)生地震應(yīng)力，主要為土壤對管道的橫向推力及軸向摩擦力。橫向位移較小時，視為理想線彈性關(guān)系，較大時則視為理想塑性性質(zhì);分析軸向摩擦力時需根據(jù)不同部位進行強度校核。原油埋地管道對地震波影響有兩種分析法：一是忽略管道剛度，認為管道軸向位移與周圍土體位移一致;另一種最常用，認為周圍土壤會與管道發(fā)生相對運動。油田施工建設(shè)過程中振動機組產(chǎn)生的振動沖擊載荷也對原油埋地管道產(chǎn)生一定影響。此外，油田周邊違法施工挖土作業(yè)會破壞原油管道，當前油田區(qū)域施工過程中的振動機組未給出具體規(guī)范及標準。原油管道應(yīng)力理論模型種類較多，不同模型間誤差較大，與實際結(jié)果存在一定差距，原因在于埋地管道在沖擊振動載荷作用下動載荷與靜載荷之間存在很大不同，而模型中大多主要集中在靜載荷分析。油田施工中振動機組的振動通過土壤以振動波形式傳播至管道，振動機組主要具沖擊性點源、瞬時振動、低頻振動、間隔小且周期密集等特點。計算模型中往往假設(shè)振動機組為剛體，忽略與土壤的摩擦作用，土體位移始終位于彈性范圍，二者碰撞過程中僅考慮第一次碰撞。施工中振動機組對埋地管道破壞不斷嚴重化，當前研究主要為有限元分析軟件模擬計算油田施工對原油埋地管道破壞的影響。

上述內(nèi)容在《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風險管理技術(shù)》一書中詳細論述，對不同類型沖擊振動載荷作用下埋地管道受力應(yīng)變規(guī)律探究是油氣輸送領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容之一。我國在今后原油埋地管道力學應(yīng)變分析過程中，不應(yīng)局限于運油車輛、地震、泥石流等沖擊載荷，應(yīng)加大油田區(qū)域人為違法施工中產(chǎn)生的振動載荷及油田作業(yè)對埋地管道破壞方面的深入研究。同時做好原油埋地管道防護及地基處理措施，應(yīng)對不同類型沖擊載荷下原油管道可能發(fā)生的力學應(yīng)變損壞。如針對油田地震多發(fā)區(qū)著重提高埋地管道的抗震性能設(shè)計，及時進行輸油管道沿線調(diào)查，嚴格管線材料選取，地基夯實尤其是軟土地域，穿越泥石流地帶時盡量選取小管徑高壁厚的管道，并增大管道埋深;制定嚴格的違法施工建設(shè)對原油管道的破壞規(guī)范及標準，加大油田區(qū)域違法施工監(jiān)督，宣傳埋地管道附近施工不當可能引發(fā)的嚴重后果，制定相關(guān)法律懲罰措施。