挖掘荷載沖擊下輸氣管道動力響應分析

蘇暢 竺柏康

(浙江海洋大學 浙江舟山316000)

0 引言

管道是天然氣運輸的核心基礎設施，加之天然氣易燃易爆的固有屬性，輸氣管道一旦受到損傷，不僅會造成管道設備的物料損失，若由此導致天然氣泄漏，還可能引發嚴重的火災、爆炸事故。因此，維護管道本體的安全性，已經成為確保天然氣平穩運輸的關鍵環節。根據國內外事故統計分析，過去幾十年至今，挖掘施工等第三方破壞行為一直被認為是輸氣管道安全運行的最大威脅。2002—2013年，美國一共發生了464起輸氣管道事故，其中由第三方挖掘施工引起的事故高達122起，且其中100起事故的管道在挖掘荷載的作用下發生斷裂[1]。在我國，輸氣管道事故的主要原因同樣來自于第三方挖掘施工與機械破壞。據統計，2005—2016年發生的100起油氣管道事故中，由第三方施工引起的占比高達61%[2]。可見對第三方挖掘施工破壞的研究十分必要。

國內外研究學者對挖掘荷載作用下的管道損傷進行了相關研究。BROOKER D C[3]利用ABAQUS有限元程序，對斗齒干涉荷載作用下的管道穿孔進行了預測；楊建功[4]以彈塑性力學和赫茲接觸為理論基礎，建立了斗齒與管道的接觸破壞過程模型；姚安林等[5]通過ANSYS/LS-DYNA軟件和強度準則對管道所能承受的極限荷載進行了分析。

本文借助ANSYS AUTODYN軟件，基于顯式動力學，模擬挖斗沖擊管道表面的過程，探究不同動態參數對管道損傷程度的影響。

1 建立挖掘荷載損傷管道模型

1.1 土體與管道材料參數

(1)土體參數

本文選擇D-P模型對土壤性質進行模擬，該模型能較好地模擬土體在外力作用下的彈塑性狀態，能避免發生較大形變時的不穩定情況，具體參數如表1所示。

表1 土壤參數

(2)管道參數

管道材料采用雙線性等向強化模型，具體參數如表2所示。

表2 管道參數

1.2 挖掘荷載損傷管道有限元模型

本文將挖掘荷載的作用看作挖斗沖擊管道的過程，由于挖斗模型本身較為復雜，且本研究中挖斗模型并不影響仿真結果，結果僅與斗齒有關，故在不影響仿真結果的前提下，以市面上最常見的某斗容為1.5 m3的挖斗為基礎進行繪制，并對挖斗模型進行簡化，挖斗與斗齒模型如圖1所示。

(a)挖斗模型 (b)斗齒模型

所繪制斗齒模型的參數如表3所示。

表3 斗齒參數

模型中假設該土壤環境下，土質均勻分布且各向同性，為彈塑性材料。本文將挖掘荷載損傷管道簡化為一個半無限體受沖擊荷載作用的過程[6]?？紤]到覆土重量與挖掘荷載的巨大差距，本模型不考慮少量覆土對管道的影響。本模型中，挖斗作用在管道的正上方，管道已經暴露在挖斗沖擊范圍內，將挖斗設置為剛體，土體采用固定約束，其邊界為固定邊界[7]；對管道與周圍土體之間設置一個摩擦系數為0.4的接觸，最后通過網格劃分得到如圖2所示的斗-管-土有限元模型。由于挖掘荷載影響的范圍有限，同時考慮到減少不必要的計算量，具體研究中將目標管段簡化至2 m進行研究。

圖2 挖掘荷載作用下管道有限元模型

1.3 有限元模型的驗證

為驗證本模型的正確性，對管道在輸氣壓力作用下的應力情況進行分析。埋地輸氣管道在輸氣壓力作用下產生環向應力、軸向應力和徑向應力，由于是薄壁管道，徑向應力小到可以忽略不計，所以只考慮其環向應力和軸向應力[8]。經過計算與模型模擬，有效應力理論計算值與模型計算值的結果如表4所示。

表4 理論計算值與模型計算值的比較 MPa

由表中可以看出，理論計算值與有限元模型計算值基本吻合，誤差僅為1.5%，因此，使用該模型進行管道力學特征與動力響應的模擬是合理的。

2 仿真結果數值分析

2.1 挖掘荷載作用下輸氣管道動力響應分析

通過三齒挖斗，對土體中暴露的管徑為1 220 mm、壁厚為18.3 mm的X80鋼材管道施加一個大小為1 000 kN的挖掘荷載，管道的輸氣壓力為5 MPa。模型計算后得到von-Mises應力分布以及應力變化趨勢曲線如圖3所示。

(a)管道應力分布

從Mises應力分布圖中可以看出，當管道受到挖掘荷載的影響時，管道的應力分布成對稱狀，在荷載作用位置單元處，有效應力達到最大值；隨距離荷載作用位置越遠，有效應力峰值越小，管道受挖掘機損傷過程是一個瞬態過程，作用時間短，發生頻率快[9]。X80鋼材的屈服強度為580 MPa，圖中顯示的最大應力值為493 MPa，小于X80鋼材的屈服強度，管道并沒有達到被沖破的程度，但已經發生較為明顯的形變。Mises應力變化趨勢曲線為模型內應力的最大值。從曲線中可以看出，挖掘荷載作用需要一定的時間，埋地輸氣管道各單元的動力響應隨挖掘荷載的傳遞而滯后，但距離作用點較遠的單元的應力變化隨時間變化較小，說明挖掘荷載的傳播范圍較小。

2.2 復雜挖掘工況下管道損傷模擬分析

在挖掘機作業過程中，挖斗與管道之間的實際位置關系是極不規則的。為了對復雜工況下管道的損傷情況進行研究，本文設置垂直水平面、與水平面呈60°角兩種沖擊角度來分析挖掘角度對管道損傷的影響；同時,設置垂直管線方向、沿管線方向兩種挖掘方向來對比分析挖掘方向對管道損傷的影響。

(1)不同荷載施加角度

在相同環境、同為500 kN荷載的情況下，分別從垂直水平面方向、與水平面呈60°角方向對管道施加挖掘荷載，如圖4所示。

(a)垂直水平面方向 (b)與水平面呈60°角方向

模型計算結果對比如圖5所示。

(a)垂直水平面方向

通過兩組應力結果可以看出，兩組結果的最大應力值幾乎相同，應力分布也十分相似，因此可以推斷，不同挖掘荷載施加角度對管道損傷幾乎無影響。

(2)不同挖掘方向

在相同環境、同為500 kN荷載的情況下，分別從平行管線方向與垂直管線方向進行挖掘作業，如圖6所示。

(a)平行管線方向 (b)垂直管線方向

模型計算結果對比如圖7所示。

(a)平行管線方向

由于管道表面不是一個水平面，因此當挖掘機以垂直管線方向進行挖掘工作時，只有一個斗齒可以與管道面接觸。在相同大小的荷載情況下，垂直管線挖掘時斗齒與管道面的接觸面積更小，管道面受到的沖擊更大。從應力分布結果可以看出，垂直管線方向挖掘時，管道的最大應力高達625 MPa，已經超過管道的屈服強度，此時管道面會被斗齒沖破，如圖8所示。

圖8 管道被沖破

由此可以看出，復雜挖掘工況下管道損傷程度的直接影響因素為斗齒數。因此，在研究挖掘荷載對管道的損傷作用時，可將挖斗與管道表面接觸方式的變化簡化為管道接觸斗齒數的變化，以便模型的建立與研究。

3 不同動態參數對管道損傷的影響

在實際工況中，挖掘荷載對管道的損傷作用受多個因素影響?；谝延械难芯砍晒?，本文對不同挖掘荷載、管道壁厚與斗齒數對管道損傷的影響進行研究。

3.1 挖掘荷載

在相同環境下,對管道施加3個大小分別為1 500、1 000、500 kN的沖擊荷載。1 000 kN荷載作用下管道的Mises應力與曲線如圖3所示，1 500、500 kN的模擬結果如圖9所示。

(a)1 500 kN管道應力分布

由結果可以看出，當施加1 500 kN的荷載時，管道的最大應力為642 MPa，遠大于鋼材的屈服強度，此時管道被沖破。同時可以看出，500 kN荷載下與1 000 kN荷載下的應力曲線輪廓基本相同，而1 500 kN載荷下的應力曲線由于管道被沖破顯得十分不規則。由此可見，挖掘荷載大小對管道損傷的影響十分明顯。

3.2 管道壁厚

為了探究管道壁厚對管道損傷的影響，選取兩組管道參數進行計算分析，具體參數如表5所示。

表5 不同壁厚管道參數

在相同環境下分別對兩組X80管道施加500 KN的挖掘荷載，A組計算結果見圖9(c)和圖9(d)，B組管道應力分布如圖10所示，由于應力變化曲線基本相同，故不再進行展示。

圖10 B組管道損傷模擬結果

根據結果顯示，將A組與B組的仿真進行對比，A組管道最大應力為420 MPa，B組管道最大應力為391 MPa,由此可以看出，在相同鋼材的前提下，壁厚越大，管道內的應力越小，但特定環境下減小的效果并不明顯。

3.3 斗齒數

在現階段的挖掘機市場上，有大量不同機型的挖掘機，但同等尺寸挖掘機的工作方式、功率、挖掘力是相似的[10]。實際工況中挖掘機對管道造成的損傷是多樣的，很大程度上取決于挖掘機的斗齒數。在之前三齒挖斗的基礎上，繪制一個五齒挖斗模型進行研究。三齒挖斗的計算結果如圖9(c)和圖9(d)所示，五齒挖斗模型與其作用下的管道應力分布如圖11所示。

(a)五齒挖斗 (b)五齒作用下管道應力分布

計算結果顯示，五齒挖斗損傷管道時，其管道應力小于三齒挖斗損傷管道時的應力，這是因為五齒挖斗與管道平面的接觸面積較大，在相同大小荷載的情況下，接觸面積越大，管道面所受到的沖擊越小。同時可以看出，五齒作用下管道最大應力明顯減小，可見斗齒數對挖掘機損傷管道的影響較大。

4 結論

(1)通過ANSYS AUTODYN軟件對挖掘荷載作用下的輸氣管道動力響應情況進行模擬，可以看出，管道的應力分布成對稱狀，在荷載作用位置單元處，有效應力達到最大值，隨著距離荷載作用位置越遠，有效應力峰值越小。在復雜挖掘工況下，挖掘荷載的沖擊角度對管道損傷無影響，而挖掘方向的變化則會改變管道的接觸斗齒數，從而對管道損傷程度造成影響。

(2)通過改變挖掘荷載大小、管道壁厚與斗齒數3個動態參數的具體數值，模擬計算不同環境下管道的最大應力值并進行對比分析，可以看出，對管道損傷的影響程度從大到小排序依次是挖掘荷載>斗齒數>管道壁厚。在輸氣管道的完整性管理與風險評價中，可以此作為數值依據。