高寒地区大管径埋地管道折管段安全性分析

郭胜杰，杨忠国，邓书辉，王石，王芸

（黑龙江八一农垦大学土木水利学院，大庆 163319）

给排水系统中，管道是不可或缺的组成部分。管道按照其使用方式可大致分为直埋敷设和管廊敷设两种，其中管廊式敷设的最低许用环境温度为-20 ℃，在高寒地区适应性较差[1]，故高寒地区的给排水管道多采用埋地敷设。关于高寒地区埋地管道应用方面，不同专家学者进行了不同研究，也得到了不同结论与成果。关于管道埋深及保温方案设计方面，专家学者们多是通过理论分析、现场勘查或经济测算等方法开展研究，如赵汝毅[2]、黄文霞[3]等基于经验公式和弹性力学基本理论，对高寒地区供热和给水管线的直埋浅埋等方案进行探讨；兰茗[4]、王军[5]、王文琴[6]等则分别进行了管道施工现场勘查、不同方案造价测算对比、管道浅埋施工与环境参数理论分析等工作，对高寒地区不同地段的管道埋深及保温方案进行了研究，针对不同地段给出了高寒地区给水管道合理埋深方案。关于管道敷设方案方面，专家学者们多是通过对不同地区地理特征、不同材料性能特点以及所用设备结构特点等角度完成研究，如祁荣富等[7]探讨了季节性冻土管道敷设方案的可行性；姜龙等[8]基于高寒地区环境要求分析了明管敷设方案的适用性；肖雷等[9]基于季节特征分析了高寒地区给排水管道施工技术的基本要求；辛真[10]、方良斌[11]、赵伟[12]、孙方龙[13]等通过管道承压测试及管道失效分析等手段分析了高寒地区给水管道敷设方案设计思路；赵艳华[14]、王闻辉[15]、王利军[16]、吕光辉[17]等分别从管道施工管理、材料选择和防护办法等角度提出了高寒地区的管道防护及敷设方案新思路；刘海鹏[18]、刘子浩[19]、刘振平[20]、余林[21]等分别从埋地管道维护技术、冻土区域管道敷设及管理技术等问题出发，分析了高寒地区现行管道敷设方案的优劣，并分别对高寒地区的管道敷设方案或防护管理措施提出了自己的建议。

综上可知，当前的专家学者多针对高寒地区的埋地管道敷设方案、埋深等参数的合理选择或计算方法开展研究，而高寒地区埋地敷设的管道在长期运行过程中，内部运行压力及管体表面覆土静压随着时间将发生变化，埋地管道自身应力也会随之发生一定变化。管道的应力变化直接影响其使用安全性，甚至会对当地产业结构造成重大影响[22]，故应对高寒地区管道不同使用环境下进行应力分析和安全性评价。针对高寒地区大管径埋地管道在不同覆土静压及运行压力下的应力变化及使用安全性进行分析，给出了相应工况下的使用安全性。

1 高寒地区大管径埋地管道受力分析模型建立

1.1 高寒地区大管径埋地管道几何模型建立

埋地管道一般由工作管部分、保温层以及外护管等部分组成，按照温度应力控制方法的不同，管道埋地敷设过程中，可采用冷安装、敞开式预热安装、一次性补偿覆土预热安装、有补偿安装等方式进行安装[23]。在管道安装过程中一般需要满足《城镇供热直埋热水管道技术规程》相关要求，如高寒地区大管径埋地管道敷设时，直管段可存在折角的情况，此时需要将折角区域进行保护，如采用弯管过渡、将折角进行L 型或Z 型拆分以及架设折角附近的固定墩均是常用的方法。参照文献[23]中的规定，可视为直管段的最大折角如表1 所示。当超过表1 中所列数值时，所敷设管段不可视为直管段。

表1 可视为直管段的最大折角Table 1 Maximum bending angle that can be regarded as of straight pipe section

当高寒地区大管径埋地管道存在折管段时，在载荷作用下，埋地管道的折角区域相较于其余直管段的应力水平更高，发生失效的可能性也更大，为确定高寒地区大管径埋地管道的使用安全性，应针对存在折弯段的管道受力变形情况进行分析。故参照文献[23]中规定情况，建立了管道受力分析模型如图1 所示。所研究埋地管道的公称直径为500 mm，管道最大平面折角为9 °。

图1 高寒地区大管径埋地管道受力分析几何模型建立Fig.1 Establishment of geometric model for stress analysis of large diameter buried pipeline in alpine Region

1.2 高寒地区大管径埋地管道力学模型建立

参照实际情形，建立高寒地区大管径埋地管道的力学模型。由于埋地管道敷设后，其承受的主要载荷为管道周边土体的外压以及管内流体提供的内压，故分析也主要对存在折弯段的高寒区域大管径埋地管道在内外压共同作用下的应力应变情况开展分析。由于管道外压主要来源于上半部分覆土的静压，故分析时外压仅考虑管道上方覆土静压。基于上述分析，参照图1 所示几何模型建立埋地管道的受力模型如图2 所示，其中埋地管道承受载荷主要为管道上方土静压及管内流体内压。预设载荷如表2所示，其中土静压越高代表埋地深度越深，为真实模拟埋地管道的实际运行状态，管内流体选择为水，流体内压施加过程考虑动载效应，动载系数取1.25，管道采用直埋浅埋法敷设，管道上方土静压不超过0.5 MPa，对应埋深为2.0 m。

图2 高寒地区大管径埋地管道载荷与边界条件设置Fig.2 Load and boundary condition setting of large diameter buried pipeline in alpine region

表2 高寒地区大管径埋地管道受力分析预设载荷边界Table 2 Stress analysis of large diameter buried pipeline in alpine region preset load boundary

2 高寒地区大管径埋地管道有限元模型建立

2.1 网格划分

高寒地区大管径埋地管道应力分析过程涉及金属弹塑性、动载效应等因素，要求应力计算结果精确，故选择C3D8I 六面体单元划分埋地管道应力分析的网格，如图3 所示，网格数量为10.87 万。

图3 埋地管道模型网格划分Fig.3 Grid division of buried pipeline model

2.2 材料属性定义

有限元分析中，高寒地区所用埋地管道的材质定义为大管径埋地管道常用的X52，材料属性如表3所示，环境温度定义为-40 ℃。

表3 埋地管道材料属性定义Table 3 Definition of material properties of buried pipeline

3 结果及分析

3.1 不同工况下埋地管道应力分布

埋地管道不同土静压和运行压力作用下的应力分布如图4 所示。图4（a）～（e）所示应力峰值表明，当管道上方的土静压一定时，埋地管道的应力水平将随着管内流体压力升高而升高；当管道上方土静压为0.2 MPa、管内流体压力由2 MPa 增长至6 MPa 过程中，埋地管道的最大应力由282 MPa 增长至353 MPa，整个过程埋地管道未发生屈服，最小安全系数为1.02；ASME B31G-2012 标准中规定，埋地管道的安全系数[24]不应低于1.25，但此安全系数为考虑了动载效应的综合安全系数，在文中施加载荷时已加入了1.25 的动载系数，故此时得到的埋地管道安全系数大于1 即可证明管道安全，即上述结果对应的管道运行状态为安全状态。图4（a）～（e）所示应力分布表明，当管道上方的土静压不变时，埋地管道的应力峰值点将随着管内流体压力升高而逐渐转移至折角区域管道的下表面。当管道上方土静压增长时，管道整体应力水平逐渐提升，且管道上方逐渐产生应力集中，当管道上方土静压达到0.3 MPa 时，管道流体压力仅为2 MPa 时管道上表面已出现大面积屈服失效；当管道上方土静压达到0.32 MPa 时，管内流体压力为0 时管体折角处已经发生屈服。从埋地管道不同土静压及管内流压作用下的应力变化可知，土静压对埋地管道工作过程的应力水平影响程度远高于管内流压。

图4 不同土静压及流体压力作用下埋地管道应力分布Fig.4 Stress distribution of buried pipeline under different soil static pressure and fluid pressure

3.2 埋地管道使用安全性评价

为分析埋地管道不同工况下使用安全性，提取了埋地管道最大应力随管道上方土静压及管内流压变化情况如图5 所示。由图示结果可知，随着管道上方的土静压升高，埋地管道的使用安全性急剧下降，当埋地管道土静压不超过0.2 MPa 时，安全的管内压力可达6 MPa；当埋地管道上方土静压超过0.32 MPa 时，管道未通流体的初始状态即为危险工况；管内压超过2 MPa 时，曲线凸凹性发生改变，此现象说明管内压力不超过2 MPa 时，土静压为管道应力峰值影响的主要因素，当管内压力达到3 MPa时，内压对管道应力影响开始占据主导地位。在所研究工况下，埋地敷设的大管径管道，其安全土静压应不超过0.32 MPa，实际管道敷设时可参照图4 及图5所示结果完成敷设。

图5 埋地管道不同土静压及管内流压下应力峰值变化Fig.5 Peak stress variation of buried pipeline under different soil static pressure and flow pressure in the pipe

4 结论

基于数值模拟手段，对高寒地区大管径埋地管道工作过程的应力分布和安全特性进行了分析，得到以下结论：

（1）埋地管道存在折管段时，在载荷作用下，埋地管道的折角区域相较于其余直管段的应力水平更高。

（2）管道上方的土静压一定时，埋地管道的应力水平将随着管内流体压力升高而升高。

（3）埋地管道上方土静压增长时，管道整体应力水平逐渐提升，且管道上方逐渐产生应力集中，土静压对埋地管道工作过程的应力水平影响程度远高于管内流压。

（4）所研究工况下埋地敷设的大管径管道，其安全的覆土静压不应超过0.32 MPa。