黃土濕陷區(qū)暗懸管道極限跨度分析

來源：《管道保護(hù)》雜志作者：劉小暉羅士棣張洋時(shí)間：2018-7-6 閱讀：

劉小暉羅士棣張洋

中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司

摘要：通過統(tǒng)計(jì)分析管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料，建立管道暗懸受力模型，合理選取模型參數(shù)，計(jì)算得到在強(qiáng)度和撓度條件下暗懸管道的極限跨度，為管道的應(yīng)急搶險(xiǎn)和安全運(yùn)營提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：黃土濕陷；暗懸；極限跨度；安全跨度

通過對(duì)某在役管道2014、2015年汛期調(diào)查，查明發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害191處，其中河溝道水毀40處，坡面水毀28處，閥室問題6處，黃土濕陷111處，滑坡6處，分別占21%、15%、3%、58%和3%，判定黃土濕陷是該段管道所遭受的主要地質(zhì)災(zāi)害。其機(jī)理作用是，管道埋置于地表黃土地層1.5 m左右，在農(nóng)田灌溉、雨水沖刷等作用下，黃土極易發(fā)生濕陷，引發(fā)管道基礎(chǔ)不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使管溝土體流失，導(dǎo)致管道外露或暗懸。當(dāng)管道自身承載力不足時(shí)，管道會(huì)發(fā)生較大變形彎曲或者彎折破裂，造成管道無法正常使用。

1 研究目的

（1）確定管道暗懸的極限跨度

根據(jù)管道在運(yùn)營中的使用條件，研究管道在管底土體沉陷、沖毀等支撐條件改變后，滿足安全運(yùn)營需要的極限暗懸長(zhǎng)度（極限跨度），并能準(zhǔn)確快速的計(jì)算出來。

（2）確定管道的安全跨度

結(jié)合管道受力特點(diǎn)，針對(duì)管道可能的暗懸，確定其安全跨度，設(shè)置剛性支墩。

2、管道暗懸受力模型

2.1 建模思路及參數(shù)

2.1.1 建模思路

根據(jù)《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50459-2009）5.1.3之規(guī)定，從暗懸管道的約束條件、管道本體材質(zhì)、輸送介質(zhì)的參數(shù)等情況，分析管道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，確定地下管道在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布規(guī)律，實(shí)際狀況下管道暗懸段兩端為固定端約束，忽略活荷載等因素的影響，將管道簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算。分別通過強(qiáng)度和撓度條件計(jì)算暗懸管道在均布荷載作用下的極限跨度。

2.1.2模型參數(shù)

（1）管徑：管道干線管徑為F 508 mm；

（2）壁厚：該處取管道的平均厚度，即9.9 mm；

（3）黃土性質(zhì)：參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）中表5-1-9“我國西部四個(gè)城市濕陷性黃土的性質(zhì)指標(biāo)”中蘭州市的取值，覆土為黃土，密度ρ₁=1.33 t/m³；

（4）管道工作壓力： 2016年4月8日14時(shí)17分，調(diào)度室的瞬時(shí)壓力為9.29 MPa；

（5）輸送介質(zhì)密度：柴油密度0.81—0.84 t/m³；汽油密度0.73—0.74 t/m³；原油密度0.84—0.86 t/m³，油品密度按最不利情況選取ρ₂=0.85 t/m³。

（6）管道材質(zhì)：管道材料為X60（L415），鋼管容重：ρ₃=7.85 t/m³；鋼材彈性模量：E=206×10³N/mm²；鋼材線性膨脹系數(shù)α=12×10^-6（1/℃）；X60（L415）的屈服強(qiáng)度為415 MPa。

2.2管道外力荷載

（1）管道周圍土壓力

土中應(yīng)力包含土中自重應(yīng)力和附加應(yīng)力，土的自重應(yīng)力是由土的自重產(chǎn)生，附加應(yīng)力為作用在土層頂部表面的活荷載所產(chǎn)生（作用力較小，文中忽略不計(jì)）。對(duì)于地下2 m處管道，管頂土體自重應(yīng)力按土體豎直方向施加于管道上半部分外表面的應(yīng)力計(jì)算，管道上部土壓力q₁=ρ₁·H·D·g。

（2）管道自重

管道自重根據(jù)管道材料的容重和體積計(jì)算，q₂=π·(D²-d²)/4·ρ₃·g。

（3）管道內(nèi)油品重

管道油品的重量根據(jù)管道內(nèi)部體積和輸送油品的密度計(jì)算， q₃=π·d²/4·ρ₂·g。

2.3 管道內(nèi)力條件

根據(jù)《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50459-2009）“6.2 管道強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算”。

（1）管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力

α_h—管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力；d—管道內(nèi)徑；δ—管道壁厚；P—管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓。

（2）管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力

（3）管道的溫度變化引起的軸向應(yīng)力

σ_at—溫度變化引起的軸向應(yīng)力；α—鋼管線性膨脹系數(shù)；E—鋼材彈性模量；Δt—溫差。

3 管道暗懸跨度的確定

3.1模型條件

（1）分析模型

假設(shè)管道在運(yùn)營過程中由于支撐土體的改變而出現(xiàn)了暗懸，暗懸僅出現(xiàn)在一個(gè)位置，如圖1。此時(shí)管道可看作是兩側(cè)無限彈性支承、而中間懸空的單跨結(jié)構(gòu)。

圖1 管道暗懸示意

根據(jù)上述建模方式建立中間具有懸空長(zhǎng)度L的計(jì)算模型，施加工作壓力、土壓力、管道自重和油自重等外部荷載，計(jì)算懸空長(zhǎng)度L下管道的應(yīng)力，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 管道暗懸分析模型

（2）判別條件

為了確定管道暗懸的極限跨度，結(jié)合管道材料、相關(guān)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，建立影響安全使用的判別條件。

①強(qiáng)度條件。管道在正常運(yùn)行狀況下為空間受力狀態(tài)，衡量其強(qiáng)度狀態(tài)的指標(biāo)是管道的屈服強(qiáng)度。結(jié)合《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50459-2009）中6.2.5規(guī)定，強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)滿足：