埋地管道的裂纹扩展分析

邱 刚，张玉敏

（河北联合大学建工学院，唐山 063009）

埋地管道的裂纹扩展分析

邱 刚，张玉敏

（河北联合大学建工学院，唐山 063009）

该文采用有限元软件ADINA，模拟具有初始裂纹等缺陷的管道破坏情况，同时建立管道的三维Rupture模型，结合数值分析结果得出不同的结论，建立实体模型，在裂纹路径及初始缺陷都已知的情况下采用软件中的Fracture模块分析裂纹扩展问题。在已知初始裂纹的前提下，利用回路J积分的动态守恒探讨二维模型的平面应变特性，通过实验结果证实了裂纹开裂以及扩展路径与理想的弹塑性材料破坏时比较吻合，也证明了理想弹塑性材料屈服理论符合实际工程需要。

裂纹扩展； 埋地管道； 断裂力学

埋地输液管道也就是平时所说的地下管道，作为松散固体、液体或者气体的输送媒介，在城市发展进程中起到至关重要的作用。特别是在市政管网、煤气管道、给排水系统、电力以及通信工程领域广泛应用，被冠以城市地下生命线美名的输液埋地管道在现实生活中越来越重要。伴随城市的不断扩张，城市基础设施的埋地管道假设遭遇地震等不可抗拒的地质自然灾害，就会造成管道破坏，甚至可能产生爆炸、突发火灾、有毒气体或液体泄漏等灾害发生。使城市的安全受到严重威胁，造成人们生命、财产不可估量的损失。

现代社会的高速发展，首先重视的就是对能源需求，在众多的能源需求大国中，我国现状更加突出。能源需求每年都在飞速增长，而管道输送能源就是最主要的方式之一。包括油、气等与国民生活息息相关的能源都是以这种方式运输，但管道运输的缺点也不容忽视，即使没有遇到可以产生巨大外力的地震荷载，管道也极易因为机械损伤、腐蚀等缺陷而遭到破坏。从而管道的安全性及实用性就会大打折扣，对于管道表面的裂隙、坑弧等这些在管道生产之初及使用过程中的缺陷，势必会在管道运行过程中埋下隐患［1］。

1 埋地输液管道重要性体现

作为城市生命线系统的管道一旦遭受破坏，势必会对人们生产、生活及城市安全造成极其严重的后果。例如1906年美国旧金山突发地震，由于作为消防用水的三条主要埋地管道受到严重损毁，使全市多达几十处的火灾无法及时扑灭，而由地震直接造成的损失还不及由火灾引起的三分之一；又如近代初期发生的日本关东大地震，造成给水管道的较大规模破坏，而且发生的大火无法控制，造成约近50km2市区建筑彻底损坏，同时大火中产生的毒气与火灾共造成三万多人失去生命；又如1976年，中国唐山发生特大地震，破坏多处输油管道，损失多达1万多吨的原油，同时引起火灾多处，损失巨大；再如2011年日本9级大地震，造成一万多人死亡，同时引发福岛核泄漏，地下管道在受到如地震等外来力量的作用直接导致管道损毁，造成巨大的生命和经济财产损失。

2 埋地输液管道破坏类型

造成管道破坏的因素是多方面的，一般依据现场经验理论可将管道破坏原因总结为三大类：地质因素、工程因素以及腐蚀因素。由于管道损坏会对生命财产构成巨大威胁的同时，也会产生灾难。所以，国内外科研学者做了巨大努力，从不同层面分析管道在破坏时引发的关键因素。管道破坏的基本类型包括：管道变形、管道错断、管道破裂、密封性破坏以及腐蚀性穿孔等。在这众多破坏形态中，管道变形及错断是最普遍发生的，并且通常状况下是较为严重的损坏形态。

2.1 管道变形

当管道破坏时，变形程度没有超过管道本身塑性空间，此时就会产生管道变形。也就是管道某局部产生了较大形变，但并未达到开裂的状态。管道变形主要有缩颈变形、弯曲变形、椭圆形变形、扩径变形以及腐蚀破坏等五种不同型态。一般情况下，管道周围土体吸水膨胀会产生强大外加轴向压力，此时就会形成管道缩颈变形。但管道横截面仍会保持圆状，只不过管道损坏处的管径相比原来尺寸要小。

管道本身有缺陷或者承受地层不均匀侧向集中应力，就会出现缩颈现象，但在某一薄弱点出现扩径，这样就使管道在径向垂直面上出现内凹形椭圆形。这种变形的截面可以用专业的微井陉仪测量测出。

一旦椭圆变形发生，管道轴线出现偏移，管道在宏观上就是一种弯曲变形。地层中土体长期接受水浸状态，组成土体的各种岩石包括泥岩、页岩等就会产生膨胀，进而伴随巨大的集中应力出现，在这种力促使下，岩体相对于管道产生相对位移，在水平和径向上就会产生弯曲变形。

2.2 管道密封性破坏

管道连接方式一般是丝扣或者焊接，若焊接不当、丝扣质量差，使管道间脱开分离就会形成管道密封性破坏。这种情况绝大多数发生在管道连接处，从而导致管道内液体、气体等损失甚至泄漏［2］。

2.3 管道错断

由于地质构造或断层移动，管道就会受到剪切力作用，导致管道错断破坏。这是因为管道剪切力使其变形大大超出本身最大塑性极限，在管道轴向发生断裂，断裂两端部分会产生相对滑动，这是目前所知管道破坏最严重的一种情形。在地震作用下，断层结构可能产生滑移，当断层移动速度达到并超过某一限值时，管道本身钢材受力会被拉伸直至断裂。

3 埋地输液管道破坏影响特征

管道遭到破坏主要是因为在外来力作用下，使其超过管道材料本身极限强度，在宏观上呈现破损状态。简而言之，管道破坏除与自身因素有关外，还与管道铺设方法、管道所处地质条件、管道周边场地情况、管道所运输介质、地下水影响等有直接关系。由于环境不同，影响因素各异，导致管道破坏特征也各不相同。

3.1 地层、场地与施工方式的影响

地层、场地作为管道敷设的母体，本身的地质条件与管道密切相关。当前地质灾害频发，尤其是地震作用影响巨大，通过对以往地震破坏的管道分析，管道本身对地震产生的加速度并不敏感，相反受场地形变影响很大。一般情况，地形场地应变越大，管道变形破坏越明显。地震作用下会产生地震波，而地震波本身的频率有高低之分。较低频率且含量丰富的地震波对管道产生的应力越大，管道本身破坏也越明显［3］。当地下管道敷设于坚硬且均匀地层场地中，地震波对管道破坏并不显著；相反，当地层土松软不均匀，特别是在场地土条件差异变化较大的交汇处，此时管道破坏最严重。

3.2 管道本身性能的影响

管道本身材料性质、管道壁厚度、管道口径大小、管道弯头管径变化、管道接头搭接等都影响管道破坏。首先，管道本身材料不同直接影响管道破坏程度，材料力学中所涉及材料的刚度和韧性，最能体现在管道破坏中。从大量地震破坏的管道中可以发现，构成管道的材料强度越低、韧性越差，抵抗变形的能力越小，管道本身破坏程度就越严重。比如，在相同状况下，铸铁管要比钢管破坏程度高，因为铸铁管道韧性差，混凝土管道强度和韧性也非常有限，所以相比于铸铁管还要差些。但是钢管却不同，钢本身的强度和韧性要比铸铁和混凝土高很多，所以在地震中钢管的破坏程度要远远小于其他材料的管道。

4 埋地管道断裂破坏理论

4.1 断裂破坏理论分析

断裂力学作为固体力学的一个分支，主要探究材料初期存在初始裂纹以及裂纹在外力作用下的发展规律。在工程设计之初，被认为最重要的指标是结构的耐久性、强度及经济性，而且大部分学者以为只要经过详细、周密的设计，材料的刚度和强度会和试验相同［4］。随着管道脆断事故不断发生，研究者发现管道材料在使用过程中，材料本身就会产生微型的裂纹。正是由于存在原始裂纹，在结构或材料受力状态下会发生裂纹扩展，直至结构破坏。因此断裂问题成为研究的重点，这有利于断裂力学的推动和发展［5，6］。

经典断裂力学给出了相应的参数，比如断裂韧性指数。这是在针对大量的实际工程以及利用数值分析计算后给出相应的数值，它应用于断裂破坏的研究中，可以预测及控制断裂产生，有利于完善断裂理论，并可对裂纹扩展提供理论保障［7］。

4.2 裂纹扩展问题分析现状

有限元方法是研究裂纹扩展问题的主要数值方法，现代力学计算特点是数据庞大、过程复杂，所以一般情况通过实验、理论以及数值方法共同来解决此类问题［8］。用有限元法模拟裂纹扩展问题时，需要对材料进行网格划分，网格大小直接影响计算的精确度和速度。裂纹扩展的重点是尖端应力场，将尖端设置为奇异性单元，这样可以延续计算精确性，而且裂纹尖端四周网格加密，在计算过程中不断改变，以这种方式尽量做到裂纹尖端处于计算过程中。因此网格划分程序可以包括：1）新旧网格系统之间的传递；2）判别及再划分畸变网格的准则；3）合理的新网格生成系统［9］。

5 结 论

通过对埋地管道在跨越断层情况下进行分析，利用ADINA软件模拟了管道在含初始裂纹的情况下，管道的破坏情况。通过改变管道的壁厚、管径、管土摩擦系数，得出对管道破坏情况的影响，模拟了管道在含初始裂纹时裂纹扩展过程。

a.管道的壁厚越大，其横截面积越大，管道所能承受的荷载越大。综合其他影响因素对管道破坏的影响，管道壁厚的影响相对较小，在保证管道安全的情况下，要结合实际情况选择合适的壁厚。

b.管道的管径不同，管道的应力应变值也不同。随着管径的增大，管道的轴向应力和环向应力有先增大后减小趋势。所以选择合适的管径对管道的抗破坏能力有显著影响。

c.工程应用中，要选择合适的管土摩擦系数，即当管道原场地土不满足合适的管土摩擦作用时，采用改变回填土的方法达到所需要的摩擦系数，从而提高管道抵抗破坏的能力。

d.模型模拟了管道在含初始裂纹时，管道的裂纹扩展的过程。由Fracture后处理计算得到J积分的断裂力学结果，符合断裂力学理论不同的回路积分守恒性。

［1］王春兰，张 鹏，陈利琼，等.腐蚀管道剩余强度评价的基本方法［J］.四川大学学报（工程科学版），2003，35（5）：21－24.

［2］唐山市自来水公司.唐山市给水设施震害调查［G］.北京市政研究所，1976，11.

［3］邹 蓉.地裂缝对地下管道的影响研究［D］.西安：长安大学，2010.

［4］姚晓利.45钢材料Ⅰ－Ⅱ复合型断裂的实验研究［D］.西安理工大学，2008.

［5］康颖安.断裂力学的发展与研究现状［J］.湖南工程学院学报（自然科学版），2006，16（1）：39－42.

［6］王慰军.基于ABAQUS的裂纹扩展仿真软件及应用［D］.浙江：浙江大学，2006.

［7］刘 莎，张 芳.基于 ANSYS有限元软件裂纹扩展模拟［J］.化工装备技术，2006，27（1）：54－57.

［8］Parks D M.On the Energy Release Rate and the J－integral for 3－D Crack Configurations［J］.Int Journal of Fracture，1982（19）：183－193.

［9］王 鹏.埋地管道破坏的裂纹扩展分析 ［D］.唐山：河北联合大学，2011.

Analysis on Buried Pipeline Damage Finite Based on Cracks’Expansion

QIU Gang，ZHANG Yu－min
（College of Civil and Architectural Engineering，Hebei United University，Tangshan 063009，China）

Using the finite element software ADINA，simulation the initial cracks and other defects of the pipeline damage，while building the pipeline dimensional rupture model to determine the crack pipe location.Combining with the simulation results analysis and comparison can be drawn，a different angle faults affecting pipeline axial stress.ADINA in Fracture module can simulate two－dimensional finite element models of the actual cracks of propagations.This was established with initialing cracks defected and cracks propagations path have known two－dimensional planes strain models.The results showed that crack initiation and expanded on a circuit different J－integral to maintain good conservation，and the crack tip and ligament stress distribution area perfectly plastic materials comply with the simple small scale yielding theory.

crack propagation； buried pipeline；fracture mechanics

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.029

2013－12－20.

邱 刚（1966－），硕士.E－mail：z.whqlh＠163.com