天然氣長輸管線彈性沉降的理論研究與應用

黎志昌

（佛山市天然氣高壓管網有限公司，廣東佛山 528000）

天然氣管線的淺埋問題和露管問題都會對管線的運行安全性產生影響，相關部門要對具體問題予以具體分析，從而落實相應的處理方案，在全面且充分了解工況環境的基礎上，維護天然氣長輸管線運行的安全性。

1 天然氣長輸管線彈性沉降規律研究

工程項目若是處于平坦段區域，要結合天然氣管線的埋深實際距離以及暴露情況落實具體問題具體分析的機制，從而全面了解彈性沉降的規律。

1.1 差異化撓度天然氣管線彈性沉降規律

結合具體情況落實相匹配的分析機制，選取撓度為0.9 m、1.2 m、1.5 m，對應的管線材質為L450M，尺寸為D610×15.9 mm，對不同情況進行具體分析，參數如下：

（1）撓度0.9 m，開挖距離為95.8 m，對應的變形應力為139 MPa。

（2）撓度1.2 m，開挖距離為118.2 m，對應的變形應力為149 MPa。

（3）撓度1.5 m，開挖距離為139.7 m，對應的變形應力為159 MPa。

結合相關數據可知，管線的撓度越小，對應的管線開挖距離也隨之縮小，最大的區域是管線的中部，而在變形后相應的應力參數會極大降低，甚至低于整個管線的屈服強度，此時管線在沉降后并沒有失效[1]。

1.2 淺埋或者是裸露區域管線彈性沉降規律

選取的對應管線材質為L450M，尺寸為D610×15.9 mm，應用ABAQUS完成對應有限元分析模型的設定，選定的裸露長度為50 m。利用有限元評價方法獲取不同撓度下管線開挖距離以及變形應力參數，具體情況如下：

（1）撓度0.9 m，開挖距離為92 m，對應的變形應力為189 MPa。

（2）撓度1.2 m，開挖距離為115 m，對應的變形應力為204 MPa。

（3）撓度1.5 m，開挖距離為138 m，對應的變形應力為216 MPa[2]。

結合數據可知，撓度和管線開挖距離之間形成了正比例關系，與淺埋或者是裸露相比，統一撓度情況下，管線沉降后的應力參數相差也較小，管線未失效。

1.3 不同管線尺寸對管線彈性沉降的影響

材質依舊為L450M，對應尺寸選取三個對象，分比為D610×15.9 mm、D610×12.7 mm、D610×11.9 mm，選取0.9 m、1.2 m、1.5 m為撓度對照，參數如下：

（1）管線尺寸為D610×11.9 mm。①撓度0.9 m，開挖距離95.8 m，對應的變形應力為139 MPa。②撓度1.2 m，開挖距離為118.2 m，對應的變形應力為149 MPa。③撓度1.5 m，開挖距離為139.7 m，對應的變形應力為159 MPa。

（2）管線尺寸為D610×12.7 mm。①撓度0.9 m，開挖距離97.8 m，對應的變形應力為156 MPa。②撓度1.2 m，開挖距離為119.5 m，對應的變形應力為166 MPa。③撓度1.5 m，開挖距離為140.3 m，對應的變形應力為175 MPa。

（3）管線尺寸為D610×15.9 mm。①撓度0.9 m，開挖距離99.2 m，對應的變形應力為165 MPa。②撓度1.2 m，開挖距離為120.5 m，對應的變形應力為175 MPa。③撓度1.5 m，開挖距離為141.8 m，對應的變形應力為184 MPa[3]。

結合對應的參數可知，管線尺寸越大相應的開挖距離也就越大，隨之產生的管線沉降后應力參數也增大，盡管在1.5 m撓度時達到184 MPa，但是依舊沒有超出管線的屈服強度，管線未失效。

2 天然氣長輸管線彈性沉降分析

2.1 軟件系統

為了確保能對天然氣長輸管線彈性沉降情況予以系統分析，要應用ABAQUS軟件系統，在完成靜態分析、準靜態分析、瞬態分析的同時，還能對碰撞沖擊、屈服以及斷裂等情況予以核查，從而建立有限元分析模型，確保結果的準確性。在具體分析中，應用ABAQUS就是為了建立完整且有效的仿真分析模型，從而對不同開挖狀態下沉降管道變形情況和應力變化予以分析。

2.2 有限元分析

結合實際情況建立單元模型，能有效提升計算精度，匹配ABAQUS軟件分析模型，就能對沒有達到驗收規范或者是后期人為破壞的管線進行力學模型的分析，將管線簡化為拱形弧線（圖1），從而落實相應的分析模式。

圖1 簡化示意圖

圖中h表示拱高，就是指天然氣長輸管線的偏移距離；L表示弧線的水平距離，也就是整個工程項目的開挖距離。在L達到一定數值后，管線就必然會受到重力作用出現對應的沉降，要應用有限元分析模型計算開挖長度變形情況以及內部應力參數，從而完成不同撓度情況下的開挖距離[4]。

按照“建立管道部件—定義材料屬性—創建截面—裝配部件—建立分析元—定義邊界—劃分網格—建立作業—求解—計算結果—輸出沉降距離和變形應力參數”的流程完成有限元分析。

3 天然氣長輸管線彈性沉降管道力學分析

本文以KF到ZZ某天然氣長輸管線施工項目為例，由于施工中操作人員的不良操作，后續成品保護工作不到位，造成管線出現了200 mφ377×9的管線外露，對管線的安全產生影響，需要施工部門結合實際情況落實對應的沉降處理工作。

3.1 判定計算條件

在實際計算分析工作開始前，要將作為研究對象的管道視為彈性支梁結構，對于長輸管線結構而言，一般都具有較長的特點。若是將某一段落實開挖處理從而建立取土沉降，就要設定為雙向伸梁結構，外伸的長度近似設計為無限長。并且，多數管道本身就是直埋處理，所以支座就設定為彈性支座[5]。

需要注意的是，若是將管道視為荷載受力均勻的筒支梁結構，不僅要保證最大的彎矩所處的截面維持平均剪應力，還要確保在管道出現塑性變形的時候，整個管道依舊能維持穩定性。

3.2 計算分析

在計算過程中，管道內徑數值、外徑數值、沉降管道段的長度都是固定數值，并且能匹配管道焊縫等參數完成計算。

（2）強度數值計算，若是應用的鋼管，且本身是塑性材料，所以要按照第三強度理論完成分析，得出Sr3，并且利用第四強度理論計算對比數值Sr4，若是Sr3大于Sr4，要想提升整體輸氣管道的安全性和運行穩定性，就要借助強度理論分析的方式。

（3）利用[M]=Wx[Sr3]計算鋼管截面的允許彎矩，利用計算管道的荷載，若是[M]小于M，則要依據[M]的具體情況計算對應的撓度，若是[M]等于M，則按照q為8 m/L2完成荷載參數的計算。

本案例中，截面形芯的位置是Y1=Y2=188 m，利用對應的計算公式得出[M]為241 285.8 Nm，而對應的M數值為3 262 161 Nm，彈性沉降的撓度為126.89 cm[7]。

3.3 完善施工流程

在完成對應計算分析后，就要依據實際情況落實匹配的施工方案，確保能減少安全風險和隱患問題，最大程度上提高天然氣管線應用管理的綜合水平。

（1）相關部門要落實現場開挖工序，結合計算獲得的撓度數值以及管道在實際應用中下沉后的曲線參數，落實匹配的放線挖溝處理，并且間隔10 m位置就設置原土的土墩。需要注意的是，相關施工部門要關注管道目前的應用情況以及管道周圍的土地情況。

（2）在開挖操作中，針對已經被破壞的防腐層要予以關注，借助瀝青玻璃絲布完成局部的防腐控制，有效提升其應用效率。

（3）要集中拆除管道下方的原土墩結構，確保現場專業技術人員能統一指揮操作，結合曲線的變化情況從中心位置向兩側位置同時操作，提升應用方案的合理性。

（4）因為管道本身是弧形，所以，沉降量控制在1.45 m左右。

（5）結合現場環境分析和數據提取后可知，管道位置較為特殊，因此，配置了配重塊，結合管道自重、管道防腐層重量、天然氣浮力、水中浮力等計算出每200 m的位置設置總配重為5 500 kg。因為工程項目采取的是鋼筋混凝土塊，結合具體施工管道要求分配重量[8]。

3.4 注意的問題

為了保證天然氣管線沉降處理工作的合理性，也要對具體方案的應用流程予以關注，切忌盲目處理，而是要結合具體情況落實匹配的設計方案。

（1）技術部門要對管道的具體埋設情況予以分析，尤其是彎頭以及折點位置等，避免彈性沉降數據計量的單一性。

（2）要對埋設區域的水位情況予以全面調研分析，若是水位較高，則要結合實際情況落實具體的管道配重控制，而配重的參數要考量自身重量、浮力、管內天然氣浮力等具體參數。

（3）要對隱蔽工程予以重視，其中，土建施工、光纜電纜施工等都會對具體操作方案產生影響，并且，要著重分析埋深參數等。

4 結束語

在天然氣長輸管線彈性沉降分析工作中，要結合具體情況落實相匹配的分析方案，并且計量對應參數，有效避免安全問題受到影響，結合沉降規律和有限元分析工作優化參數處理效率，為工程項目綜合應用水平的提升奠定堅實基礎，在滿足經濟效益、環保效益基礎上，促進天然氣產業可持續發展。