埋地燃气管道管内负压条件下承压能力研究

1 概述

随着绿色经济、低碳经济逐渐成为全世界共同关注的主题，各国对甲烷的排放越来越重视

。2018年，多家全球知名油气产业集团在华盛顿签署了全球能源行业应对气候变化的《天然气行业全价值链甲烷减排指导原则》

，承诺进一步减少运营天然气设施的甲烷排放。2019年我国生态环境部发布《关于进一步加强石油天然气行业环境影响评价管理的通知》，提出加强油气行业甲烷及挥发性有机物的泄漏检测

。

水禽景观和水产景观是多姿的景观，具有动态的美。安徽沿淮湿地的珍稀水禽以鹳类、鹤类、雁类为主，是国家一、二级保护对象，在八里河、瓦埠湖、沱湖、焦岗湖等湖泊湿地，每年有数千珍稀水禽来此越冬，成群的白鹤、黑鹳、灰鹤、鸳鸯、鸿雁在湖泊湿地的上空翱翔，景色十分壮观。安徽沿淮渔业发达，可以组织养殖、捕捞等渔业生产活动，还可品尝到新鲜的沱湖螃蟹、大青虾、鳜鱼的美味。

量子力学哥本哈根学派的另外一位代表人物海森堡(Werner Heisenberg，1901-1976)也曾指出，东方传统中的哲学思想与量子力学的哲学本质之间，有着某种确定的联系。

我国城市燃气行业一直在燃气管网运行各环节积极推进甲烷减排。近年来，燃气管网运行中开孔封堵、泄漏检测、防腐层检测、放散气体回收等技术的应用都取得了显著的成绩，一定程度上减少了甲烷的排放量

。

然而，在燃气输配系统的置换作业中，传统的作业方法需要约1.5倍管存天然气，既浪费了天然气资源，又增加了甲烷排放。如果能将管道内需要置换的气体抽空，可大大减少天然气的消耗，从而达到节能减排的目的。本文从管道承压能力角度，分析埋地管道在管内抽真空状态下的承压能力，从而验证燃气管道抽真空置换方法的可行性。

2 负压条件下埋地管道的载荷特征分析

③ 车辆载荷参数

在离北极1000公里左右的永久冰川冻土层里，有世界上目前最引人注目的种子库——挪威斯瓦尔巴特种子库。人们称其为“种子方舟”，建立10年间已收集超过100万种种子。英国皇家植物园邱园有一座美丽的千年种子库，在那里，植物种子的保存条件是零下20℃，保存时间标准为80年至120年。在中国云南，从2004年开始，由中国科学院主导建立的中国西南野生生物种质资源库迅速壮大，成为亚洲最大的种子库，跻身世界三大种子库之列。

地面外载荷使管道产生弯曲应力，引起管道横截面发生椭圆化变形，过大的变形也会导致管道结构性破坏

，影响管道正常使用。为保证管道在外载荷作用下的安全，必须控制管道的变形量。

3 埋地管道有限元模型建立

为研究埋地管道在受地面外载荷和管内负压情况下的应力和变形情况，选取3种常见管材及规格的管道作为研究对象，采用有限元软件建立受力情况下的埋地管道有限元模型，计算分析管道的应力及变形情况。

① 管材参数

② 地基土体参数

采用完全随机排列，不设重复。试验共设10个小区，小区面积108平方米，长30米，宽3.6米，每个小区3个厢面，每个厢面种2行共6行，行距宽行0.7米，窄行0.5米，株距0.27米，亩栽4100株，单株留苗。四周设保护行，中间不留过道。成熟时实收测产。

本文选用3种具有代表性的管材作为研究对象，管材参数见表1。文献[7]表明：由土载荷和车辆载荷组成的管道外载荷对不同埋深的管道影响差别不大。因此，在本文研究中，不以埋深作为研究对象，统一将管道管顶埋深(管顶到地面的距离)设定为1.2 m。

正常运行的燃气管道内部为正压，正压引起管道发生均匀的膨胀变形，此时，内压使管道产生环向拉应力

。对管道抽真空时，管内的压力为负压，负压引起管道发生环向均匀收缩，此时，内压使管道产生环向压应力。当环向应力超过材料的许用应力时，管道会因丧失承载能力而发生结构性破坏。

综上所述，辅助生育在孕前使用促排卵药物以及孕期用药情况对产筛指标的影响尚不完全明确，需更大样本的研究以获得此类特殊人群各项血清学产前筛查指标的参考范围，通过调整多来源标本（如辅助生育标本）的偏倚才能为产前筛查提供更准确的风险评估以及更有效地保障筛查检测质量。此外，辅助生育孕母因受孕方式与自然妊娠不同或潜在的不孕背景、移植技术操作、促排卵等可能会引起其子代的不良围产结局［1-2］。必要的产前筛查及产前诊断仍将有利于改善辅助生育子代围产结局。

埋地燃气管道会受到多种载荷的共同作用，主要受到管道内压和地面外载荷的联合作用，其中内压分为正压和负压，地面外载荷主要包括地面车辆载荷和土载荷。在管道正常通气情况下，埋地管道内压为正压；当管道内气体被抽空时，埋地管道内压为负压。负压条件下埋地管道载荷特征见图1。

土体对埋地管道而言，既产生作用载荷，又是传递各种载荷的介质，外载荷对埋地管道的影响也是通过管周土体的传递和管-土相互作用并最终以土压力的形式作用在管道上。因此，有限元的建模不能忽视管-土相互作用

。

④ 有限元模型建立

地基土体是一个无限空间体，可截取一定范围作为研究对象。截取范围过大，计算工作量会急剧增大

；截取范围过小，则由于边界效应，计算结果不准确。本文地基土体尺寸(长×宽×高)取15 m×20 m×10 m。设置的土壤性能参数见表2。

GB 50332—2002《给水排水工程管道结构设计规范》规定了不同汽车类型的标准载荷。其中55 t型汽车的后轴重力最大，后轴有两个，每个轴重力为140 kN，每个轴有两个轮子，单个轮子着地尺寸为0.6 m×0.2 m，后轴的单轮重力为70 kN，单轮压力为0.585 MPa。下文研究中均以55 t型汽车后轴的单轮压力作用于管道上方开展研究。

将车辆载荷视为均布静载荷，作用在地基土体上方，由地基土体传递到管顶。地基土体采用扩展的Drucker-Prager模型，管道采用Ramberg-Osgood本构模型。接触模型中，法向定义为硬接触，管土接触后允许分离，切向接触采用罚函数定义。网格划分采用三维的20节点六面体二次减缩积分单元(C3D20R)。假定汽车行驶方向垂直于管道轴向，俯视图见图2。

管道轴向中心线和垂直管道轴向的中心线将图2划分成对称的4部分。由于几何及载荷的对称性，为降低计算成本，取1/4模型(称为选中部分)进行分析，简化后的1/4模型结构见图3。根据经验，其余部分的轮子对选中部分的管道影响不大。土体与管道的有限元应力云图见图4。

王婆的尖脚乱踏着地面作响一阵，人们听一听，没听到灯罩的响声，知道日本兵没有来，同时人们感到严重的气氛。李青山的计划严重着发表。

4 埋地管道在负压条件下承压能力分析

为研究负压对埋地管道的影响，分别建立了X70、X52和Q235这3种钢级的无缺陷管道及含缺陷管道在受到外载荷联合作用(管道内绝对压力为0)、外载荷单独作用(管道压力为0)时的12组有限元模型。计算工况为55 t型汽车后轴的单轮压力作用于管道上方，图2所示轮胎中心线之间距离为1.8 m，管道管顶埋深1.2 m。管道缺陷尺寸为角度30°，长度为20 mm，深度为壁厚的25%，缺陷长度是沿管道轴向，深度是沿壁厚方向，角度见图5中的

。考虑最不利情况，缺陷位于车轮正下方的管顶。模拟了负压条件(全真空状态)的管道在受到外载荷联合作用时的管道变形及应力状态，并与外载荷单独作用时的管道变形和应力相比较，结果见表3。

由表3可以看出：当管内全真空状态时，即管道内绝对压力为0时，负压对管道应力及变形的影响很小，没有对管道造成很大的安全威胁。管材钢级越高，受同样载荷时，引起的应力及形变越小，即管道的承压能力越强。含缺陷管道受到载荷时，管道的应力及变形有一定程度增大，即缺陷会使管道的承压能力有一定程度减弱。

5 结论

当管内全真空状态时，即管道内绝对压力为0时，负压对管道应力及变形的影响较小，没有对管道造成安全威胁，验证了抽真空置换方法的可行性。

建议今后从设备最大抽真空能力、现场作业的可行性和经济效益分析3方面继续开展适用性研究工作。

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