高鋼級山地管道設計及安全性評估的再認識

摘要：永久性地面變形（permanent ground deformation， PGD）是造成山地管道屈曲斷裂泄露并導致重大生命、財產損失的主要原因之一。現有 PGD 區山地管道“基于應變”的設計及安全性評估方法和技術標準對在役高鋼級管道安全性評估偏于危險，亟待對其進行進一步的研究。針對山地復雜 PDG 工況下的“許用應變”及“計算應變”，從山地管道的主要失效模式著手，對山地管道管–土相互作用的應變計算方法（解析法、數值分析法及試驗法）及安全性評估方法的技術現狀及存在問題進行了分析，并結合我國山地管道未來的發展趨勢及生產需要，提出了考慮在役管道的實際工況，進行基于管–土相互作用規律的設計及安全性評估方法的研究路徑和內容。

關鍵詞：高鋼級；山地管道；永久性地面變形（PGD）；基于應變；管–土相互作用；設計及安全性評估

中圖分類號：TH11文獻標志碼：A文章編號：1000-582X（2023）05-083-10

Re-recognition of design and safety evaluation of high-grade steel mountain pipeline

HUWenjun1，2，3，4 ， ZHAOYu1，2 ， HU Kaiheng1，2 ， CHENGuiyu4 ，FU Kaiwei4 ， ZHANGXiaopeng1，2，3

（1. Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Process， Chinese Academy of Science， Chengdu610041， P. R . China;2. Institute of Mountain Hazards and Environment， Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041， P. R . China;3. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， P. R .China;4. China PeItroleum Engineering amp; Construction Southwest Company，Chengdu 610017， P. R . China）

Abstract： Permanent ground deformation （PGD） is one of the main causes of buckling， fracture and leakage of mountain pipeline， resulting in heavy loss of life and property. The existing “ strain-based method ” and technical standards cannot satisfy the urgent needs of design and safety evaluation of in-service high-grade steel pipelines in PGDzoneandneedfurtherresearch . Thecurrentsituationof “ strain-based ” failurediscriminationisfirstly analyzedandsummarized . Technicalactualitiesandimperfectionsofstraincalculationmethods （analytical， numerical， and experimental methods） and safety evaluation methods for pipe-soil interaction are indicated by theSupportedbyNationalNaturelScienceFoundationofChina（41671116） andtheSecondSichuantoEastGas Transmission Pipeline （2020230C）.main patternsof pipefailure with the “ allowablestrain ” and “ calculatedstrain ” under complex PDGworking conditions . Future research topics and path of the design and safety evaluation based on actual working conditions andpipe-soilinteractionsaresyntheticallyproposed，whileconsideringthefuturedevelopmenttrendand production needs of mountain pipelines in China .

Keywords： high-gradesteel; mountainpipeline; permanentgrounddeformation （PGD）; straindesign; pipe-soil interaction; design and safety evaluation

截止2020年底，國內油氣管道總里程已達17萬 km，預計在“十四五”末將達24萬 km[1]。由于環境和規劃的限制，更多的管道將不得不敷設在山地災害多發的山區（如，西南管道公司管轄的1.1萬 km 的油氣管道，山地管道有7000 km，占比約64%）。滑坡、斷層、地面沉降等永久性地面變形（permanent ground deformation， PGD ）會造成管道變形、屈曲、斷裂，導致油氣泄漏、火災、爆炸等嚴重事故[2?3]。與其他影響管道營運安全的因素相比，PGD 引發管道事故的危害程度更大，修復時間更長和中斷服務損失更高。國內2004—2019年數據顯示：PGD 誘發的管道事故約占9%，每年的直接經濟損失超過幾十億元（如：2015年西二線深圳段的事故，造成73人死亡，17人受傷，管道修復耗時71 d ，直接經濟損失8.81億元；2017及2018年中緬管道晴隆段的2次事故，共造成9人死亡，58人受傷，管道修復耗時319 d，間接經濟損失約10億元）[4]。

隨著我國主導建設的中亞系列、中緬、中俄等跨國管道及國內的西氣東輸、川氣東送系列管道的建成投產，我國油氣管道尤其是山地管道的建設能力已處于世界領先水平，而規范指南的研發相對滯后，山地管道的建設標準仍處于空白。同時，隨著我國能源結構的進一步調整及油氣管道“一帶一路”項目的持續推進，“十四五”期間我國對“清潔、綠色、環保”的天然氣需求將繼續增加，為提高輸送效率，高鋼級（X70、X80）、大

口徑（?1016 mm，?1219 mm，?1422 mm）、高壓（10 MPa，12 MPa ）的油氣管道也將日益增多，對新形勢下管道設計及安全性評估的技術標準提出了更高要求[5?6]。

目前，我國新建管道鋼級越來越高，管徑越來越大，壁厚越來越薄，徑厚比 D/t 越來越大（如：中俄東線采用 X80鋼管，管徑為?1422mm和?1219mm，D/t為44.0，46.0，55.0，66.4），致使管道的剛度降低柔性增加，這類薄壁鋼管在 PDG 作用下更易發生屈曲斷裂失效。為此，傳統“基于應力”的設計及安全性評估方法不再可靠，業界提出了“基于應變”的方法。該方法經過近20年的發展，取得的研究成果也不少，但上述研究主要針對低鋼級小口徑管道，且較少考慮管–土相互作用的實際工況，由此制定的技術標準難以滿足我國山地管道的生產實際和迅猛發展趨勢，亟待進一步的提高認識，提出符合工程實際的設計及安全性評估方法。

1山地管道設計及安全性評估現狀

我國油氣管道主要采用《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》GB/T 9711標準制造的鋼管，通常 X70/ L485及以上鋼材為高鋼級，X65/L450及以下的為低鋼級。國內外主流標準規范 DNV[7]、CSA Z662[8]、GB/T 50470—2017[9]及 SY/T 7403—2018[10]均推薦 PGD 區山地管道的設計及安全性評估采用“基于應變”的方法，該方法的失效判別公式主要涉及到管道本體的“許用應變”及 PGD 作用下管道的“計算應變”。由于低鋼級與高鋼級鋼材的化學成分不同使其力學性能不同，因此，低鋼級與高鋼級管道的“許用應變”及“計算應變”的確定也存在差異。

1.1 “基于應變”的方法

非 PGD 區的常規工況下，現行規范（如：API 5L[12]、ASME B31.8[13]、EN 1594[14]）推薦管道采用“基于應力”的設計及安全性評估方法，將應力限制在彈性范圍內，對應的應變限值為0.5%。而 PGD 區的管道主要受變形荷載控制，當管道塑性應變高達2%～4%且發生一定的塑性變形時，仍能滿足運行要求，管道在“基于應變區”區工作，可以充分利用管材的性能（圖1）。在這種特殊工況下，上述“基于應力”的方法不再適用。為因此，業界提出了“基于應變”的設計及安全性評估方法，該方法允許管道的應力超過屈服應力，此時的管道雖發生一定的塑性變形，但仍能滿足運行要求，能充分發揮管材的性能（圖1），將應變作為失效判據，其判別公

式如下。

當管道受壓時：

ε C ≤ kC ε Cu；

當管道受拉時：

ε T ≤ kT ε Tu。

式中：εC和εT為 PGD 作用下的計算應變，εCu為極限壓應變，εTu為極限拉應變，kC和kT為安全系數。

式中：εC和εT為 PGD 作用下的計算應變，ε Cu 為極限壓應變，ε Tu 為極限拉應變，kC和kT為安全系數。

李璞等[11]對國際上“基于應變”的規范指南進行了比較，雖然歐美規范 CSA 、BS、DNV 、API 及 SUZUKI 等均提供了各類失效模式下應變極限值的計算公式及安全系數，但差異較大。而且我國的 GB/T 50470—2017[9]及 SY/T 7403—2018[10]選取的kC和kT值比國外更保守，但我國山地管道的鋼級更高，口徑更大，剛度更小，在山地 PDG 地段，管道屈曲斷裂事故時有發生。

1.2 失效模式及許用應變

通常 PGD 區管道的失效模式按嚴重程度依次有拉伸斷裂、局部屈曲、梁式屈曲和橫截面橢圓化4種，管道的設計及安全性評估針對不同失效模式采用不同的許用應變。通常我國山地管道直徑較大，埋深較深，發生梁式屈曲失效的概率小，橫截面橢圓化對輸送油和氣的管道影響不大，因此，這里以工程中常見的拉伸斷裂和局部屈曲為例進行分析，說明上述兩種失效模式下管道的設計和安全性評估方法。

1.2.1 拉伸斷裂及許用拉應變

當管道軸向受拉，彎曲或者拉彎組合荷載產生的拉應變超過某一臨界值時，可能發生斷裂（圖2）。油氣管道主要采用焊接工藝，因此，管道的抗拉承載力主要由焊縫的強度控制。

各國現行規范指南許用拉應變推薦值略有差別（表1），這是由于各國管道的建設用管、用途、焊接工藝的不盡相同，同時需考慮焊接缺陷、應力/應變集中、塑性降低和管道外涂層等因素。

許用拉應變與考慮安全系數的極限拉應變有關，而管材的極限拉應變通過帶狀試件和寬板拉伸試驗確定，在沒有實驗數據的情況下，我國的 GB/T 50470—2017[9]及 SY/T 7403—2018[10]均采納了加拿大規范 CSA Z662[8]推薦的簡化計算公式，

式中：εTu是極限拉應變，6是焊縫韌性（0.1≤6≤1），λ是屈強比（0.7≤λ≤0.95），ξ是缺欠長度與管壁厚度之比（2c/t），1≤ξ≤10，η是缺欠高度與管壁厚度的比率（a/t），η≤0.5。如考慮一個輕微缺欠的管道，ξ=0.1，η=0.1，6=0.7，λ=0.775，得到εTu =4.5%。

1.2.2 局部屈曲及許用壓應變

當管道軸向受壓、彎曲或者壓彎組合下產生的壓應變超過某一臨界值時，管道就會發生局部屈曲或起皺（圖3）。Karamanos等[19]研究表明管道許用壓應變的相關度依次為徑厚比（D/t）、內壓及材料的屈服強度。工程經驗表明局部屈曲或起皺一般首先在初始缺欠或結構不連續（如彎管和環焊縫）附近開始。

ASCE[15]規定理論壓應變等于0.3t/D 時管道開始起皺，局部屈曲的開始并不意味著管道失效，在管壁破裂前屈曲區域可承受大約4至6倍的理論壓應變。此外，局部屈曲的壓應變極限值隨內壓的增加而增大，Gresnigt[21]首先考慮了該效應，經其修正后的極限壓應變計算公式如式（4）（5）所示。

如果 t ≤120，則

ε Cu =0.25-0.0025+3000（ ）2? p?| p|；（4）

如果gt;120，則

ε Cu =0.10 +3000（ ）2? p ?| p |。 （5）

式中：εCu是極限壓應變，p 是內壓，E 是鋼管的楊氏模量，t是管道壁厚，r '是發生屈曲時受壓區的管道半徑。加拿大規范 CSA Z662[8]及我國的 GB/T 50470—2017[9]及 SY/T 7403—2018[10]均采用Gresnigt等[21]提出的

極限壓應變計算公式。各國現行規范指南許用壓應變推薦值如表2所示。

1.3 基于“管–土相互作用”的計算應變

對山地管道進行設計及安全性評估重點是基于 PGD 作用下管道的應變狀態分析，管道受管周圍土的作用發生位移和變形并對土體產生擠壓，土體產生的反向抗力會約束管道進一步的位移和變形，這種約束效應對高鋼級薄壁柔性管道的影響尤其顯著。此時，管道和圍土作為復合結構共同抵抗外部荷載，管周圍土既是作用在管道上的荷載，也是增強管道強度和剛度的一種介質。因此，在進行埋地管道的設計及安全性評估時，必須考慮管周一定范圍內的圍土對管道力學性能的影響，即考慮“管–土相互作用”。目前“管–土相互作用”的評估方法主要有解析法、數值分析法及實驗法3種。

1.3.1 解析法

解析法作為一種嚴格的公式解法運用在1971年 San Fernando 地震中一些管道受損分析，開啟了國內外學者對 PDG 作用下管–土相互作用解析解的研究。在斷層方面：1975年，Newmark 等[22]基于“索”模型首次提出了斷層對管道作用的解析解；隨后 Kennedy 等[23]建立了忽略管道彎曲剛度的解析解，Wang 等[24]改進了考慮管道彎曲剛度的方法；自2000年以來，Takada 等[25]，Karamitros等[26]和Trifonov等[27]將斷層作用下的管道分成三段梁，通過邊界條件建立平衡方程，采取迭代法得到了開放式的解析解；程旭東等[28]和 Liu 等[29]通過對斷層作用下 X80管道數值解的擬合，得到了管道應變的半經驗解析解；最近，Talebi等[30]針對走滑斷層，考慮了軸向力，建立了改進的平衡方程，提高了解析解的精度。在滑坡方面：基于梁的大撓度理論，張東臣等[31]推導了滑坡作用下管道響應的解析解；基于 Winkler 彈性地基梁理論，尚玉杰等[32]建立了橫向滑坡作用下的管道力學模型，得到了管道響應的解析解。Zahid 等[33]考慮了管–土相互作用、內壓、自重和溫度，首次推導了管道在縱向滑坡作用下的軸向應變解析解。

因公式簡單，計算效率高，易于被工程技術人員掌握，盡管解析法存在一定的局限性，但對 PGD 作用下管道的初步設計及快速的定性分析具有較強的適用性，因此，在工程實踐中得到一定應用。

解析法存在的不足主要體現在：1）研究主要集中在對稱類 PGD 對管道響應的解析分析（如：走滑斷層和滑坡），非對稱類 PGD 對管道響應的解析分析研究不夠（如：正斷層、逆斷層等）。2）研究對象主要是塑管或低鋼級的小口徑管道，對高鋼級的大口徑管道研究不足。3）忽略了軸向力的影響，使管道計算應變偏小。4）具有較大的應用限制（如：管道穿越逆斷層或小角度穿越走滑斷層時，管道受壓彎作用，仍無法求解）。

1.3.2 數值分析法

管–土相互作用的數值模型主要有兩大類：基于 Winkler 彈性地基梁的非線性土彈簧模型（BNWF 模型）及三維連續實體有限元模型（3D FEM 模型）。 Lim 等[34]采用 BNWF 模型，將土體離散成縱、橫及豎3個方向的土彈簧（“spring”）單元來模擬管–土相互作用，管道采用梁（“beam”）單元，研究了 D/t對管道響應的影響（圖4（a））。由于“beam”單元無法考慮內壓，計算精度較差，無法分析管道的屈曲后行為，土彈簧剛度的計算源自經驗公式，通常計算應變小于真實值，高估管道抵抗變形的能力，不安全。為了克服這一缺點，Karamitros等[35]改進了 BNWF 模型，PGD 影響核心區管道采用殼（“shell”）單元，遠離 PGD 區管道采用“beam”單元，提高了計算精度（圖4（b））。由于 BNWF 模型只適用圍土均勻的情況，且不能精確地解釋圍土的非線性行為，不能模擬管–土之間的接觸、滑移及分離，在數值參數（如內壓、材料和幾何參數等）分析時存在諸多限制。為此，開發了建模更嚴格，精度更高，適合在詳細設計階段使用的3D FEM 模型。Cheng 等[36]建立了3D FEM 模型，管–土相互作用通過在管–土之間設置接觸面來模擬，土體采用實體（“brick”）單元，管道采用“shell”單元，分析了埋地管道在斜逆斷層作用下的不同失效模式，并基于失效判定準則，獲取了不同失效模式下的臨界斷層位移值（圖5（a））。該模型建模范圍大，計算成本最高，耗時最長。為了克服這一缺點，Banushi等[37]建立了在管道兩端引入等效邊界的改進3D FEM 模型，即分別采用接觸面和等效邊界對模型內外的管–土相互作用進行模擬，通過與標定模型計算結果的比較，證明了該模型具有計算精度高和計算速度快的優點（圖5（b））。 BNWF 模型和3D FEM 模型的優（缺）點及適用范圍如表3所示。

1.3.3 試驗法

通過具體事故驗證解析法和數值分析法是評估管–土相互作用最直接的方法。但事故數量有限，且事故分析報告難以獲得，幾乎沒有具體事故的確切資料和數據，難以還原真實工況。因此，一般采用試驗法對管–土相互作用進行模擬。試驗法主要有全尺、縮尺及離心機試驗法3種。

Trautmann等[38]首先進行了橫向位移作用下干燥和全飽和砂土中直徑為102 mm 和324 mm 的 HDPE 塑管的全尺試驗，研究了直徑、埋深、管道表面粗糙度和土體密實度對荷載–位移曲線的影響。Ha 等[39]介紹了直徑為33.4 mmHDPE塑管的4次離心機試驗，旨在驗證斷層作用下管道與斷層的交叉角對管道響應的影響。Hsu 等[40?41]在松散和致密砂土中，對直徑為102，152.4，228.6，304.8，324 mm 的 HDPE 塑管進行了全尺軸向拉伸試驗，試驗數據表明現行規范指南 ASCE 及 ALA -ASCE 提供的公式會低估最大軸向土體抗力，該結論也在Karimian等[42]對直徑為324 mm 和457 mm 的 A524級鋼管的全尺試驗中得到驗證。王仁超[43]以相似原理，在砂土中建立了直徑為25 mm 的 PVC 塑管受滑坡作用的縮尺物理試驗，全面分析了滑坡作用下管道的內力和變形規律。在歐盟 GIPIPE 框架內，Karamanos等[44]在干燥和全包和土中進行了 PGD（斷層/滑坡）作用下直徑為219 mm 的 X65鋼管的全尺試驗（圖6～7），驗證了所開發的數值模型及解析解的準確性。

試驗法主要集中在干燥、全飽和土中小口徑（管徑在25 mm 和324 mm 之間）、低鋼級（≤X65）或（PVC 及 HDPE 塑管）管道開展的試驗，但缺乏 PGD 作用下大口徑、高鋼級管道的物理模型試驗。尤其是真實工況（非飽和圍土中）大口徑、高鋼級管道的全尺模型試驗仍處于空白。

2 亟需開展的工作

基于上述原因，為適應我國山地管道的發展趨勢及生產需要，彌補國內外針對山地管道設計及安全性評估研究較少及技術規范缺欠的現狀，亟需針對實際 PGD 工況下高鋼級、大口徑、高壓的山地管道開展以下工作：

1）開展全尺試驗，為解析解及數值模型的開發及驗證提供支撐數據。2）開展管道的失效模式及機理研究，制定合適的許用應變。3）開展考慮多軸向“管–土相互作用”的管道響應封閉解析解的研究，提高計算效率及易操作性。4）開發更貼近實際工況的圍土本構模型（非飽和土、硬化及軟化特性），建立更嚴格的3D FEM 模型。5）基于以上研究，改進失效判別公式，提升“基于應變”的設計及安全性評估方法。6）研制與我國山地管道發展趨勢及實際生產需求相匹配的規范指南，切實提高山地管道抵御地質災害的能力。

3 結語

隨著油氣管道“一帶一路”項目的繼續推進，我國山地管道建設能力及水平已處于世界領先，而規范指南的發展相對滯后，且我國山地管道事故時有發生，其原因之一為現行規范指南推薦的設計和安全性評估方法滿足不了我國山地管道的發展趨勢及生產實際的需求，致使 PGD 區現役管道安全狀態不可控和擬建管道設計依據不充分。因此，亟需針對實際工況下山地管道的設計及安全性評估方法進行進一步研究，以加深和提高理論認識水平，對于持續改進山地管道“基于應變”的設計及安全性評估、研制與我國山地管道發展趨勢及實際生產需求相匹配的規范指南、切實提高山地管道抵御山地災害的能力及建設和管理水平、保障山地管道長期安全運行等都具有重要意義。

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（編輯鄭潔）