澳大利亞煤層氣高密度聚乙烯管道穿越道路穩(wěn)定性分析

秦 璇 宋代詩雨

中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

煤層氣與常規(guī)天然氣組分大體相同,主要由95%以上的CH4組成,另外5%主要是CO2和N2[1-3],相較于常規(guī)氣,煤層氣中不含重烴組分及H2S,氣質(zhì)組分好,同時采氣壓力、產(chǎn)氣量通常低于常規(guī)天然氣。地面集輸工程中煤層氣采氣管道考慮到煤層氣采氣特點及氣體中伴隨有大量排采液的情況,國際上常用高密度聚乙烯管道替代常用的金屬管道。

高密度聚乙烯管道是一種新型輕質(zhì)塑料管道[4-5],是聚乙烯管道的一種,具有質(zhì)量輕、耐高壓、韌性好、壽命長、便于運輸?shù)忍攸c,常用于市政建設或海洋平臺排水管道,但是隨著高密度聚乙烯管道技術的發(fā)展和成本的降低,高密度聚乙烯管道已在煤層氣田得到應用。由于煤層氣采氣井布井分散,高密度聚乙烯采氣管道距離較長,可能出現(xiàn)穿越道路的情況,通過對比中國和澳大利亞高密度聚乙烯管道穿越道路穩(wěn)定性計算方法,對高密度聚乙烯管道穿越道路進行分析研究。

1 高密度聚乙烯管道穩(wěn)定性校核

1.1 中國管道穩(wěn)定性校核

與埋地金屬管道類似,埋地天然氣聚乙烯管道的穩(wěn)定性主要由外部受力評估得到,埋地管道既受周圍土壤壓力影響,又受路上車量載荷影響[6-7],但是聚乙烯燃氣管道相關設計、驗收規(guī)范中并沒有對聚乙烯管道的穩(wěn)定性分析做出詳細計算規(guī)定,僅規(guī)定了聚乙烯管道在車行道下埋深不小于0.9 m,非車行道(含人行道)下不得小于0.6 m[7-8]。規(guī)范通過管道埋深來滿足穩(wěn)定性的要求,確保聚乙烯管道敷設在車行道路下的安全。在實際工程設計中,除遵循相關規(guī)范外,還需要對埋地聚乙烯管道按照GB 50332-2002《給排水管道結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(以下簡稱GB 50332-2002)的要求對環(huán)向穩(wěn)定性進行校核。

環(huán)向失穩(wěn)是在外壓力作用下,聚乙烯管道的環(huán)向截面受壓屈服,環(huán)向穩(wěn)定性校核即對環(huán)向是否失穩(wěn)進行判斷。目前中國規(guī)范中主要使用的環(huán)向失穩(wěn)計算公式有藤田博愛模型[9]和斯氏公式(以下簡稱M-S公式)。根據(jù)GB 50332-2002對藤田博愛模型的說明,該模型不計管道周圍土負抗作用,即在使用該公式計算時,不考慮土壤對聚乙烯管道的作用,雖然已有文章指出,采用藤田博愛模型計算后,只要滿足《聚乙烯燃氣管道技術規(guī)程》中最小覆土厚度要求,聚乙烯管道的環(huán)向穩(wěn)定性即有安全保障[10]。但實際土壤載荷會對聚乙烯管道環(huán)向受力產(chǎn)生影響,故采用M-S公式再次進行校核,而《埋地管道結(jié)構(gòu)力學》[11]、美國水工協(xié)會(AWWA)《鋼管設計與安裝指導手冊》(M 11)[12]、GB 50332-2002中柔性管道在組合力下的變形量公式均為M-S公式的變形式,計算時采用式(1)[9]。

(1)

式中:Wd,max為管道在組合作用下的最大豎向變形,同M-S公式中Δx,mm;Dl為變形滯后系數(shù),可取1.0～1.5,通常取1.0[13];Kd為管道變形系數(shù)，按管道敷設基礎中心角2α選用見表1[14];D為管道直徑,mm;φq為可變載荷的組合系數(shù)。通常取0.5[15];Sp為管材模量,MPa;Ed為土反力模量,MPa。Ed由試驗確定,當沒有資料時,可按CECS 164:2004《埋地聚乙烯排水管管道工程技術規(guī)程》附錄C計算[14],Fsv,k為管項的豎向壓力標準值，N/mm；qvk為地面車輛輪壓傳遞到管項處的豎向壓力標準值，N/mm。

表1 管道變形系數(shù)表

Tab.1 Deflection coefficient of pipe

敷設基礎中心角2α/(°)20456090120150變形系數(shù)Kd0.1090.1050.1020.0960.0890.083

式(1)中Fsv,k按照式(2)計算,qvk按照式(3)計算。

Fsv,k=γsHsD

(2)

(3)

式中:γs為回填土重力密度,N/mm3，通常取1.8×10-5N/mm3[10];Hs為管頂至設計地面的覆土高度,mm;n為輪壓數(shù)量;ud為車輛載荷的動力系數(shù)，按表2選用;Qvk為車輛單個輪壓標準值,N;a為單個車輪著地長度,mm;b為單個車輪著地寬度,mm;dj為相鄰兩個輪壓間的凈距,mm。

表2 車輛載荷的動力系數(shù)表

Tab.2 Dynamic coefficient of vehicle load

覆土深度/mm≤250300400500600≥700車輛載荷的動力系數(shù)ud1.301.251.201.151.051.00

需注意,若在設計時缺少部分參數(shù),qvk及Ed的計算可參考GJBT-778(04 S 520)《埋地塑料排水管道施工》標準圖集中的要求[16]。

計算時,根據(jù)管道外徑、管道埋深確定覆土高度,然后根據(jù)式(1)～(3)對Wd,max及Fsv,k核算組合作用下的最大豎向變形是否符合規(guī)范中規(guī)定進行校核,最大豎向變形不應超過0.05D0。

1.2 澳大利亞管道穩(wěn)定性校核

澳大利亞高密度聚乙烯管道穩(wěn)定性校核主要遵循AS 2566.1《埋地柔性管設計》(以下簡稱AS 2566.1)[20]標準。該標準對柔性管道如聚乙烯管道、高密度聚乙烯管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性做出了具體規(guī)定,主要從屈曲應力、擾度、受力三個方面對柔性管道的穩(wěn)定性進行計算與分析。

1.2.1 柔性管道屈曲載荷計算

當管道埋深大于等于管頂水面高度時,根據(jù)AS 2566.1規(guī)定,柔性管道的屈曲分析應將折斷荷載(buckling loads)與允許失穩(wěn)壓力相對比,折斷荷載必須小于允許失穩(wěn)壓力,否則埋地管道將失穩(wěn)。折斷荷載計算見式(4)。

+wq+qv

(4)

式中:Q為折斷荷載,N;γ為溝渠填充物或堤防填充物的評估單位重量,kN/m3,高密度聚乙烯管道推薦取值18.9 kN/m3[17];H為管道埋深,m;Hw為管道上方水面高度,根據(jù)地下水位不同,通常取0～1.2 m;γL為由于管道外液體造成的單位重量,推薦取值10 kN/m3[18];wgs為豎直方向上由于表面靜荷載而產(chǎn)生的,kPa,推薦取值0 kPa[18];De為管道外徑,m;wq為由于表面活動產(chǎn)生的動載荷,kPa;qv為內(nèi)部真空度,kPa；γsub為由于土壤填充造成的載荷，kN/m3。

γsub由式(5)計算,wq由式(6)計算,同時計算時,由于在煤層氣管道輸送中不考慮真空輸送情況,內(nèi)部真空度qv忽略不計。

(5)

(6)

α=1.4-0.15H

(7)

式中:ρs為土粒比值,推薦取值2.65[17];∑P為汽車輪壓之和,kN。

在計算wq即豎直方向上由于土壤造成的靜荷載時,主要考慮汽車對管道的影響,計算模型見圖1。圖1中a為單個車輪著地長度,b為單個車輪著地寬度。

圖1 車輛載荷分布圖Fig.1 Distribution of wheel or track loads

允許失穩(wěn)壓力主要分兩種,一種為基于管道沿線的允許失穩(wěn)壓力qall1,一種是基于管道與土壤之間的允許失穩(wěn)壓力qall2。根據(jù)AS 2566.1規(guī)定,在埋深大于 0.5 m 時,取兩者的大值作為允許失穩(wěn)壓力,最終與折斷荷載比較,判斷埋地柔性管道是否失穩(wěn)。

(8)

(9)

式中:Fs為設計因素,推薦值為2.5;θ為泊松比,推薦取值0.4[19];E′為有效組合土模量，MPa；SDL為管道長期抗彎剛度，N/m,按照式(10)計算,E′按照式(11)～(13)計算。

(10)

式中:EbL為長期彎曲模量,MPa,取值見表3[17];I為管壁單位長度截面慣性矩,mm3[20],I=t3/12,其中t為壁厚,mm;D為管道內(nèi)徑,mm。

表3 不同規(guī)格材質(zhì)長期彎曲模量表

Tab.3 Long-term ring-bending modulus of different specifications and materials

規(guī)格材質(zhì)PE 63PE 80 BPE 80 CPE 100EbL/MPa110200205260

(11)

(12)

(13)

1.2.2 柔性管道擾度計算

(14)

式中:Δy為預計長期的豎向撓曲(蠕變),m;K為土層系數(shù),取0.1[18];wg為豎直方向上由于土壤造成的靜荷載,kPa,按照式(15)計算。

wg=H×γ

(15)

表4 管側(cè)回填土和原狀土變形模量表

Tab.4 Deformation modulus of embedment soil and native soil

土壤類別不同回填土壓實系數(shù)管側(cè)變形模量/MPa不同原狀土標準貫入試驗撞擊次數(shù)管側(cè)變形模量/MPa85%90%95%100%450砂礫、卵石層771014771014砂礫、砂卵石細粒土含量不大于12%3571435714砂礫、砂卵石細粒土含量大于12%1351013510黏性土或粉土砂礫含量大于25%1351013510黏性土或粉土砂礫含量小于25%—137—137

表5 不同管道外徑管溝壁與管道中心線距離表

Tab.5 Width of trench or embedment measured at the spring line

管道外徑De/mm75≤De≤150150

表6 無壓力管道允許長期的豎向撓曲(蠕變)與管徑百分比表

Tab.6 Percentage of allowable Long-term vertical pipe deflection and pipe diameter for nonpressure pipe

規(guī)格材質(zhì)PE 63PE 80 BPE 80 CPE 100ΔyallD/(%)7.57.57.57.5

1.2.3 柔性管道受力計算

埋地管道同時受外力(如土壤壓力、車載壓力)和內(nèi)力作用,對于高密度聚乙烯管道的穩(wěn)定性分析,還需要對受外力、內(nèi)力和聯(lián)合載荷情況分別進行計算。

1.2.3.1 外部受力

外部受力主要指受拉力,需要滿足εb≤εball,根據(jù)AS 2566.1規(guī)定,高密度聚乙烯管道εb取值為4.0%,而εb按照式(16)計算：

(16)

式中:t為管道壁厚,mm;Df為形狀因數(shù),按照式(17)計算。

(17)

1.2.3.2 內(nèi)部受力

高密度聚乙烯管道內(nèi)部受力主要是流體給管壁施加的壓力,需要滿足Pw≤Pall的要求,Pw為管道內(nèi)部工作壓力,即設計中的操作壓力,Pall為管道的最高操作壓力,可以按照APIA CoP Version 3第4.3.5內(nèi)公式計算[21],也可以根據(jù)設計壓力取值。

1.2.3.3 聯(lián)合載荷

AS 2566.1對管道受復合作用力進行了規(guī)定,具體見式(18):

(19)

式中:Pw為管道內(nèi)部工作壓力,MPa;ηp為繞應變的安全系數(shù);ηb為內(nèi)壓安全系數(shù);η為受內(nèi)外力同時作用時的安全系數(shù)。ηp、ηb、η取值見表7[16]。

表7 同規(guī)格材質(zhì)安全系數(shù)表

Tab.7 Safety Factors

安全系數(shù)規(guī)格材質(zhì)PE 63PE 80 BPE 80 CPE 100ηp1.251.251.251.25ηb2.02.02.02.0η1.251.251.251.25

2 實際算例分析

根據(jù)澳大利亞某天然氣內(nèi)部集輸工程的實際情況,經(jīng)計算,在工程中主要采用了SDR 21高密度聚乙烯管道,假設地面載荷不大于16 t,汽車單個輪著地長度和寬度分別為0.2、0.5 m;土壤參數(shù)按照保守參數(shù)En=1 MPa,Ee=3 MPa計算,分別對PE 90～PE 200常用管道進行校核,具體參數(shù)見表8。

根據(jù)AS 2566.1規(guī)定,澳大利亞高密度聚乙烯管道穿越道路時最小埋深750 mm,因此在進行穩(wěn)定性計算時,為了計算分析更可靠,覆土深度采用AS 2566.1規(guī)定的最小埋深750 mm。

在不考慮管道上方有水(即Hw=0)，得到表9計算結(jié)果。

表8 澳大利亞某高密度聚乙烯管道參數(shù)

Tab.8 Inputs of one Australia’s HDPE pipeline inputs

外徑/mm壁厚/mm操作壓力/MPa最高操作壓力/MPa904.30.40.481105.30.40.481256.00.40.481406.70.40.482009.60.40.48

表9 SDR 21管道按照AS 2566.1核算結(jié)果表

Tab.9 Calculation results based on AS 2566.1

管徑/mm壁厚tmin/mmqall/kPaq/kPaΔyallD/(%)ΔyD/(%)εballεb/(%)1/η計算值904.386.5952.497.54.04.00.70.80.741105.382.0352.717.54.04.00.70.80.751256.078.8052.877.54.24.00.70.80.751406.776.2553.037.54.34.00.70.80.752009.677.4653.697.54.34.00.70.80.75

從上述計算結(jié)果可以得出,對于滿足最小埋深750 mm要求的高密度聚乙烯管道穿越道路時,在屈曲載荷校核、擾動(蠕動)校核和受力校核時都是安全可靠的。

同時采用中國GB 50332-2002計算,其余管徑、壁厚、埋深等參數(shù)不變,環(huán)剛度按照SN 8計算,Kd按90°計算,結(jié)果見表10。

表10 SDR 21管道按照GB 50332-2002核算結(jié)果表

Tab.10 Calculation results based on GB 50332-2002

管徑/mm最小壁厚t/mm環(huán)向變形Wd最大值/mm環(huán)向變形比值/(%)904.32.52.781105.33.12.801256.03.52.811406.74.02.822009.65.62.82

3 結(jié)論

對澳大利亞煤層氣高密度聚乙烯輸氣管道穿越道路分別采用AS 2566.1、GB 50332-2002標準計算穩(wěn)定性,得出以下結(jié)論:

1)中國高密度聚乙烯管道應用于天然氣工程時,缺少對管道穩(wěn)定性校核的相關規(guī)范,按照GB 50332-2002計算,主要采用M-S公式對環(huán)向穩(wěn)定性進行了校核,與AS 2566.1中屈曲載荷的計算基本類似,但AS 2566.1還同時從蠕變和受力方面進行分析,相對考慮因素更全面。

2)按照AS 2566.1最小埋深要求,采用AS 2566.1和GB 50332-2002方法,對管道進行校核,均能滿足強度要求,而GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》規(guī)定埋深要求大于AS 2566.1要求,中國標準相對保守。

3)澳大利亞高密度聚乙烯管道穩(wěn)定性計算中有大量關于土壤的參數(shù),這些參數(shù)均不是純粹的材料特性,不能由公式求得,而且在不同地質(zhì)情況下,具體參數(shù)會有所變化,對實際計算分析會造成一定影響。

4)按照澳大利亞天然氣管道穩(wěn)定性計算方法應用的情況顯示,對于穿越道路的管道,在滿足最小覆土深度為750 mm,同時不考慮潛在埋深減小的前提下,各種尺寸的高密度聚乙烯管道均將不會失穩(wěn)。