固定托架对管道跨越结构的安全性分析

吴 昊， 马贵阳， 项 楠， 孙亚丹， 张孟昀， 张一楠

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)



固定托架对管道跨越结构的安全性分析

吴 昊， 马贵阳， 项 楠， 孙亚丹， 张孟昀， 张一楠

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)

沿河土体沉降对埋地管道跨越结构的影响较为严重，若要有效防止跨越结构的破坏，则需要采用有效的预防措施。建立管道跨越结构与土壤相互作用的有限元力学模型，分析了采用固定托架结构时管道跨越结构的应力变化情况。分析结果表明，当跨越结构受到土体沉降的影响时，固定托架可以有效地减小管道所受到的应力；固定托架的安装位置对降低管道跨越结构应力的影响较为突出。研究结果可为管道跨越结构的安全建设提供理论依据。

土体沉降； 固定托架； 管道应力场； 跨越结构； 数值模拟

随着我国能源行业的迅速发展，石油与天然气工业的建设规模逐渐扩大，石油与天然气的输送与储存成为首要解决的问题。安全高效地保证石油与天然气的运输是能源得到有效利用的前提，而在实际的施工建设中会遇到诸多问题，如复杂的地形条件、多变的气候条件等，这些问题对长距离埋地管道的施工建设会造成巨大的影响[1-3]。尤其是，对地质条件及其不稳定的区域，埋地管道所受到的影响更大，如存在断层、滑坡以及跨越河流湖泊等区域，这些区域地质条件的变化给管道的应力场带来巨大的影响。在这些地质条件复杂的区域，管道的施工建设往往采用特殊的结构进行处理，最常见的就是埋地管道跨越结构[4]。基于埋地管道跨越结构形状和结构形式的特殊性，在长距离管道输送过程中应用较为广泛，跨越结构可以很好地缓解管道压力，应对复杂多变的地形条件，确保管线的安全运行与结构的稳定，且能够应对诸多特殊地质条件的变化[5]。但是，由于其结构的特殊性，当埋地管道受到因外界地质条件变化而产生的影响时，应力场的变化较为剧烈，因此，跨越结构往往也是长距离管道中较为薄弱的区域。对于跨越河流的埋地管道，由于地下水位随着季节发生周期性变化，在特殊条件下，沿河地下水位会发生急剧的改变，尤其是在地面土体沉降多发的雨季，当河流水位大幅度涨或降时，会导致沿河土体的地质条件发生改变，在一定条件下甚至会引起沿河土体的沉降[6]。

近些年，我国学者对埋地管道跨越结构进行的研究较少，特别是对受到土体沉降等自然灾害影响的情况进行的研究更少。张一楠等[7-9]对管道跨越结构建立有限元力学模型，研究了当沿河土体沉降时跨越结构应力场的变化规律，并分析了不同管道结构参数对应力场变化规律的影响。此外，对土体沉降发生的位置给管道跨越结构应力场带来的影响进行了较为细致的研究。虽然对承受土体沉降时的管道跨越结构应力场的分析较为全面，但是未能提出较为具体的安全防护措施和有效的解决办法。为了避免事故的发生，有必要提出一种较为安全、合理的措施，有效地降低埋地管道跨越结构在承受土体沉降时产生的应力[10]。通过研究发现，对承受沿河土体沉降的管道跨越结构，固定托架的安装可以有效地降低管道产生的应力，减小应力集中的区域，可确保管道的安全运行。研究结果可为长距离输油管道的施工建设提供理论依据。

1 模型的建立

1.1 计算物理模型

本文研究沿河土体的沉降给管道跨越结构应力带来的影响，常规管道跨越结构及采用固定托架的管道跨越结构示意图如图1所示。图1中，虚线框内部分为本文的研究区域；L为发生沉降的土体长度，m；A为跨越结构水平管段的左端点。

(a) 常规管道

(b) 采用固定托架的管道图1 常规管道跨越结构及采用固定托架 的管道跨越结构示意图

土体沿河岸发生沉降时埋地管道的形状变化示意图如图2所示。

图2 土体沿河岸发生沉降时埋地管道的形状变化示意图

1.2 数学模型

1.2.1 应力场模型 在埋地管道上任取一个微元体dx，假设作用在埋地管道上的载荷为均匀载荷q(单位：N)，则所取微元体的受力分析示意图如图3所示[11]。

图3 管道微元体受力分析示意图

图3中，M为管道弯矩，N·m；Q为管道所受的径向力，N；q(x)、p(x)为土体载荷，N。

因为微元体保持平衡状态，因此在径向所受到的合力为0，即：

(1)

式中，K为沉降区域土体地基抗压刚度系数；Δ为地基的塌陷位移，m。

对式(1)两边除以dx，式(1)可转化为：

(2)

(3)

式中，I为计算管道的界面惯性矩，mm4；E为计算管道的弹性模量，MPa。

1.2.2 土体载荷模型 管道整体受力示意图及土体微元应力示意图如图4所示[12]。

(a) 管道整体受力

(b) 土体微元应力图4 管道整体受力示意图及土体微元应力示意图

建立埋地管道径向方向上任意位置的微元力平衡方程，便可求出任意位置的径向土体载荷，进而求出埋地管道单位长度所承受的最大径向土体载荷，具体的计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中，W为单位管长上径向的土体载荷，kN/m；γso为回填土的容重，取15～22 kN/m3；B为埋地管道管顶处的管沟宽度，m；Cd为土体载荷系数；c为回填土的黏聚力，kPa；H为埋地管道管顶与土体表面的距离，m；φ为土壤内摩擦角，(°)；kp为被动侧向单位面积土压力pp与竖向单位面积土压力pz之比；μ为回填土和沟壁的摩擦系数，μ≈tanφ。

2 数值模拟及结果分析

根据实际的工程设计参数，选用管道材料为X80钢，模拟的埋地管道外径为700 mm，管道壁厚为20 mm，管道的泊松比为0.30，管道的弹性模量为2.3×105MPa；地表距管道中心深度为2.5 m，管道内压设为7.5 MPa；假设土体为弹性体，土体的弹性模量为30.0 MPa，土壤重力为25 100 N/m，沉降土体泊松比为0.25。

管道跨越结构在未受到土体沉降时的应力分布云图如图5所示。

图5 管道跨越结构在未受到土体沉降时的应力分布云图

从图5可以看出，水平管段和斜管段的应力分布较为均匀，均未出现应力集中现象；弯管处为主要的应力集中点。

常规管道及采用固定托架的管道跨越结构受到土体沉降影响时的应力分布云图如图6所示。图6中，固定托架距离跨越结构架空端的距离为2.0 m。

(a) 常规管道

(b) 采用固定托架的管道图6 常规管道及采用固定托架的管道跨越结构 受到土体沉降影响时的应力分布云图

从图6(a)可以看出，对于常规管道跨越结构，当埋地水平管段的上方土体发生沉降时，沉降区域发生应力集中现象，并且，跨越结构的弯管处是主要的应力集中区域。

对比图6(a)与图6(b)可以看出，两种情况的管道应力分布趋势大体相同，但应力的集中程度和集中范围有一定的区别，采用固定托架的管道跨越结构所产生的应力集中区域较小。分析管道的应力可知，在相同的应力集中区域，常规管道跨越结构所产生的应力较大，且应力集中区域的面积相比于采用固定托架的管道跨越结构大。

改变固定托架位置，将固定托架距A点的距离由2.0 m减小到1.0 m，进一步研究固定托架的位置对管道跨越结构应力场的影响。改变固定托架位置后管道跨越结构的应力分布云图如图7所示。从图7可以看出，当土体发生沉降时，固定托架可以有效地抵消沉降土体对管道产生的径向应力，从而使管道表面的应力集中区域减小；当减小固定托架与管道跨越结构A点的距离后，固定托架对降低管道应力的效果更加明显，且应力集中的区域也进一步减小。固定托架与跨越结构A点的距离对整体应力场的影响有待后续的进一步研究。

图7 改变固定托架位置后管道跨越结构的应力分布云图

3 结 论

(1)当沿河土体发生沉降时，埋地管道跨越结构两端弯管处产生较大的应力，且土体沉降中心区域的应力较大，在这些区域出现应力集中现象。

(2)当沿河土体发生沉降时，采用固定托架的管道跨越结构所产生的应力较小，固定托架可以有效地降低管道跨越结构应力集中现象。

(3)当受到土体沉降影响时，随着固定托架位置与管道跨越结构之间距离的减小，固定托架对降低跨越结构产生应力的效果越来越明显。

[1] 周晓峰.降水引起的地基沉降对埋地管道安全影响研究[D].北京：首都经济贸易大学，2009.

[2] 李丽.采空沉降对长输管道应力变形影响研究[D].北京：北京交通大学， 2013.

[3] 尚尔京，于永南.地层塌陷区段埋地管道变形与应力分析[J]. 西安石油大学学报(自然科学版)，2009，24(4)：46-49.

[4] 周敏.土体沉降和塌陷引起地下管道变形破坏的试验模拟研究[D].太原：太原理工大学，2013.

[5] 韩腾飞，赵子皓.土体塌陷下各参数对埋地管线的影响[J].科学技术与工程，2013，13(25)：7588-7590.

[6] 刘兰兰.天然气管道在不均匀沉降下的应力分析与试验研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[7] 张一楠，马贵阳，周玮，等.沉降土体对管道跨越结构应力影响的分析[J].中国安全生产科学技术，2015，11(8)：106-111.

[8] 张一楠，马贵阳，黄雪驰，等.输油管道梁式直跨段弯管处应力的数值计算[J].辽宁石油化工大学学报，2015，35(6)：28-32.

[9] 张一楠，马贵阳，刘睿，等.横向冻融滑坡对埋地管道应力影响的数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2016，36(2)：28-31.

[10] 张文欣，周晓红，陈宏举.海底管道砂沉积模拟研究[J].石油化工高等学校学报，2016，29(1)：86-92.

[11] 冯启民，赵林.跨越断层埋地管道屈曲分析[J].地震工程与工程振动，2001，21(4)：80-87.

[12] 计海力，李宗利，陈江林.管土相对刚度对沟埋管道竖向土压力影响研究[J].人民黄河，2012，34(4)：143-144.

(编辑 宋锦玉)

Safety Analysis of Pipeline Crossing Structure with the Fixed Bracket

Wu Hao， Ma Guiyang， Xiang Nan， Sun Yadan， Zhang Mengyun， Zhang Yinan

(CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，FushunLiaoning113001，China)

Pipeline crossing structure was very easy to be affected by the settlement of soil along the river, and effective preventive measures should be adopted to effectively prevent the damage to the crossing structure. The finite element model of pipeline crossing structure and soil interaction was established, and the stress change of pipeline span structure with the fixed bracket was established. It was found that the fixed bracket could effectively reduce the stress value of the pipeline when the span structure was affected by the settlement of soil mass, and the installation position of the fixing bracket was more prominent to reduce the stress value of the pipeline span structure. The results could provide a theoretical basis for the safety construction of pipeline crossing structure.

Earth's settlement； Fixed bracket； Stress field of pipeline； Crossing structure； Numerical simulation

1672-6952(2017)04-0015-04

2016-09-06

2016-10-20

辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(LR2013016)。

吴昊(1989-)，男，硕士研究生，从事埋地管道的应力研究；E-mail：849721562@qq.com。

马贵阳(1965-)，男，博士，教授，从事计算流体力学及多孔介质传热传质的研究；E-mail：guiyangma1@163.com。

TE832；X936

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.04.004

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn