斜坡地段埋地输气管道应力分析

Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

２０１８　Ｎｏ􀆰２　

斜坡地段埋地输气管道应力分析

（１．中石油西南管道公司兰州输油气分公司，甘肃兰州　７３００６０；２．中石油西南管道公司南宁输油气分公司，广西南宁　５３００２２；３．中道检测技术有限责任公司，河北廊坊　０６５０００）

赵　潇１，李章青１，王海兰２，周春林３

　　摘要：长距离输气管道经过山区地段时，斜坡地段敷设输气管道应力集中现象较明显，安全隐患较大。鉴于坡长、坡度因素在山区管道设计中的重要性，针对斜坡段输气管道进行力学分析。基于ＡＢＡＱＵＳ软件建立了有限元数值模拟模型，重点分析了不同斜坡角度和不同斜坡坡长下管道内的极值应力变化，当斜坡角在２０°～３０°时管道所受应力值较高。分析结果对斜坡段埋地输气管道的设计、施工提供了相应依据。

关键词：斜坡；输气管道；极值应力；力学分析；有限元

中图分类号：ＴＥ８　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００４－９６１４（２０１８）０２－００１５－０４

ＳｔｒｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＢｕｒｉｅｄＧａｓＰｉｐｅｌｉｎｅｉｎＳｌｏｐｅＳｅｃｔｉｏｎ

（１．ＬａｎｚｈｏｕＢｒａｎｃｈｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｉｐｅｌｉｎｅＣｏｍｐａｎｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００６０，Ｃｈｉｎａ；２．ＮａｎｎｉｎｇＢｒａｎｃｈｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｉｐｅｌｉｎｅＣｏｍｐａｎｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３００２２，Ｃｈｉｎａ；

３．ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＰｉｐｅｌｉｎｅＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌａｎｇｆａｎｇ０６５０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎｔｈｅｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｐａｓｓｅｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｒｅａ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｔｈｅｓｌｏｐｅａｒｅａｉｓｏｂｖｉｏｕｓ，ａｎｄｔｈｅｓａｆｅｔｙｈａｚａｒｄｉｓｂｉｇ．Ｆｏｒｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｓｌｏｐｅｌｅｎｇｔｈ，ｓｌｏｐｅｆａｃｔｏｒｉｎｔｈｅｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｅａｓｅｄｏｎＡＢＡＱＵＳｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｅｘｔｒｅｍｕｍｓｔｒｅｓｓｃｈａｎｇｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｌｏｐｅａｎｇｌｅｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｌｏｐｅｌｅｎｇｔｈｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓｕｆｆｅｒｅｄｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓｗｈｅｎｔｈｅｓｌｏｐｅａｎｇｌｅｉｓａｔ２０°～３０°．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｂａｓｉｓｔｏｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｕｒｉｅｄｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｓｌｏｐｅｓｅｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｏｐｅ；ｇａｓｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｅｘｔｒｅｍｅｓｔｒｅｓｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ

ｍｏｕｎｔａｉｎｓｐｉｐｅｌｉｎｅｄｅｓｉｇｎ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｈａｖｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｓｌｏｐｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ＺＨＡＯＸｉａｏ１，ＬＩＺｈａｎｇ⁃ｑｉｎｇ１，ＷＡＮＧＨａｉ⁃ｌａｎ２，ＺＨＯＵＣｈｕｎ⁃ｌｉｎ３

０　引言

在山区地段铺设油气管道时，沿线的地形比较复杂、坡度起伏较大、地形地貌变化较大，尤其是一些容易产生滑坡的斜坡地段［１］。由于地形高低起伏频繁且落差较大，对于途经高陡边坡的输气管道，隧道穿越施工难度大，不宜采用隧道穿越或绕行的方式，一般采用沿坡埋地敷设的方式［２－６］。沿坡敷设的管道大多根据经验参数设计，使管道转向处或截面受力超过管材许用应力，很容易发生由于应力超限引起的管道失效。因此有必要对沿斜坡敷设的管道进行应力分析，得出不同斜坡地质工况下管道各处的应力值，确定应力集中的位置，为管道的设计、施工与运行提供安全依据。

收稿日期：２０１７－０９－１１

１　斜坡的理论分析

一般来说，依据管道周边不同状况，铺设在地下的管道的受力情况有以下几个方面［７－８］：管道受到地面覆盖物的重力作用，会产生弯曲应力；管道中的内压所形成的应力；管道在铺设和施工以及运行过程中，由于环境温度的差异，导致热胀冷缩从而形成了一个轴向的膜应力；交变压力产生的交变应力；由于管道系统中挠性的改变而在二通、肘管等处产生的拘束应力；等效弯矩和等效拉应力的组合。在斜坡泥土作用下，管道受到的力有管道内压、高压气体的重力（或油品的重力）、管道自身的重力、管道上方土的压的作用力。分析斜坡中管－土的应力情况，建立管－土模型，如图１所示。

力、土对管道上下方的摩擦力以及管道下方土对管道

　　１６ＰｉｐｅｌｉｎｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

Ｍａｒ􀆰２０１８　

对斜坡段埋地输气管道进行力学分析。土体是半无限空间体，计算时只能选取一定的范围，为了方便计算和边界条件的施加，选用沿管道轴线方向的１０ｍ×５ｍ矩形截面的周围土壤和管道一起作为研究对象，水平段和图１　斜坡管道－土模型示意图

本文对较常见的有一定斜坡的斜坡带进行分析，对其应力情况进行讨论。根据郎肯理论模型，处于任意深度的土的压力强度大小与深度成正比关系，沿挡土墙呈三角形分布任意深度处的土应力对埋地管道的侧压力为［４］

σｚ式中：σ＝ｚγｋ０（１）

ｚ为侧向压力，ＭＰａ；ｚ为计算点距离土面的距离，ｍ；γ为墙后的土体重度，ＭＰａ／ｍ；ｋ０．５～０．７。

０为土的压力系数，黏土一般取根据弹塑性力学相关知识，取微元ｄｘ进行管道力学分析。由管道边界条件，可以推导出管道由于斜坡引起的位移变化沿管道位置变化关系，推导过程如下：

πτＤｐ＝ｄσｘ＝ｄｐ（２）ｚＡ

（３）σｚ＝ｄｄ２ｄｕ

ｘＥ

（４）ｄｘｕ２－πＥＡ

Ｄτ＝０（５）ｕ＝

π２ＤτｘＥＡ

２

＋Ｃ１ｘ＋Ｃ２（６）

式中：τ为单位土壤摩擦力，ｋＮ／ｍ２ｍｍ；；Ｄ为管道外径段，ｍ；ｘ、ｄｐ、ｄｘｐ分别为管道斜坡段位置分别为管道中的纵向力、斜坡段位置微元，、微元段纵向力，

Ｎ；移、Ａ微元位移为管道横截面积，ｍ；Ｅ为管道弹性模量，ｍ２；ｕ、ｄｕ分别为管道截面的位，ＭＰａ；Ｃ。１和Ｃ２为由边界条件确定的常数２　斜坡埋地输气管道仿真分析

中缅油气管道沿线多次途径山区地段，在某些区域具有距离长、坡度大和穿越情况复杂等特点。对于斜坡段管道，在滑坡发生时，容易发生破坏的位置一般出现在滑坡体的两端，即管道的潜在危险区域也可能在滑动体的两端。根据中缅油气管道山区敷设的地质特点，本文对不同斜坡角β和不同斜坡长度Ｌ工况下的埋地输气管道进行仿真模拟研究。２．１　有限元模型的建立

本文采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建立有限元模型，斜坡段采用１０Ｄ的弯管连接。模型如图２所示。

（ａ）土坡的几何模型

图２　斜坡埋地输气管道的有限元模型

（ｂ）管道的几何模型

管材为Ｘ８０，屈服强度为５５５ＭＰａ，管道埋深２ｍ，管道具体力学参数见表１。

表１　管道有限元模型几何及力学参数

管径壁厚

密度／

弹性线膨胀屈服／ｍｍ／ｍｍ（ｋｇ·ｍ－３）模量系数／强度泊松输气ｍｍ·（ｍｍ·℃）－１）／ＭＰａ

比压力　１２１９１６．５

８０１０

／２１５

ＧＰａ（１０－５１．２

５５５

０．３

／ＭＰａ１２

设　［９－根据斜坡段埋地输气管道的特点１０］：未考虑管道焊缝因素；管道材料具有塑性本构，对模型进行假关系，同时考虑几何非线性与材料非线性；不考虑风载荷、地震载荷等外在因素。除受管道运输内压外，还受到土体的压力与约束、管道自身重力载荷等。管－土接

触属于刚体－柔体接触，其中管道外表面为刚性面，土体与管道接触面为柔性面。在约束方面，对所截取的管道两个端面施加对称约束，对土体底面施加完全固定约束，４个侧面施加对称约束。八节点等参单元的适应性较广，因此对地基和管道进行网格划分都是采用了八节点线性减缩积分三维应力单元（Ｃ３Ｄ８Ｒ）。２．２　仿真结果

对斜坡长度为１０ｍ，不同斜坡角的山区埋地管道进

　第２期赵潇等：斜坡地段埋地输气管道应力分析

　１７　

行分析。管道应力云图见图３。图３中数值单位为Ｐａ。力主要产生在斜坡上端弯管处及斜坡下端弯管处，由于载荷、结构形状的局部突变而引起局部应力集中的最高应力值，它是导致管道疲劳破坏的原因。

Ｌ＝１５０ｍ，不同斜坡角时管道应力云图如图４所示。（ａ）Ｌ＝１０ｍ，β＝１０°

（ｂ）Ｌ＝１０ｍ，β＝２０°

（ｃ）Ｌ＝１０ｍ，β＝３０°

图３　Ｌ＝１０ｍ，不同斜坡角时管道的（ｄ）Ｌ＝１０ｍ，β＝４０°

Ｍｉｓｅｓ应力分布云图

当β＝２０°时，管道的Ｍｉｓｅｓ应力峰值最大为４１２．２ＭＰａ。的增大先增大后减小当Ｌ＝１０ｍ时，管道的，其位置均在斜坡起点的管道顶端Ｍｉｓｅｓ应力峰值，随着斜坡角内壁。弯管区域是管道发生形变的较大部位，弯管的变形不可协调导致管道内部产生过大的弯曲应力。集中应

图４中数值单位为Ｐａ。

（ａ）Ｌ＝１５０ｍ，β＝１０°

（ｂ）Ｌ＝１５０ｍ，β＝２０°

（ｃ）Ｌ＝１５０ｍ，β＝３０°

＝图４　Ｌ＝１５０ｍ，不同斜坡角时管道的（ｄ）Ｌ１５０ｍ，β＝４０°

Ｍｉｓｅｓ应力分布云图

　　１８ＰｉｐｅｌｉｎｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

管道埋设在斜坡中，管道各段的Ｍｉｓｅｓ应力分布

Ｍａｒ􀆰２０１８　

地形的管道敷设，可考虑阶梯式管道敷设方式，减小管道运行过程中的应力值，并能够以更大的斜坡角敷设以克服较大的高程差。

图是相似的。当β＝３０°时，管道的Ｍｉｓｅｓ应力峰值最大为４４３．５ＭＰａ。随着斜坡角的增大，管道的Ｍｉｓｅｓ应力峰值先增大后减小，其位置均在斜坡起点的管道顶端内壁。由计算可知，管道斜坡底端的部分受到压应力，斜坡顶端的受到拉应力，与理论解释符合较好，其压应力数值稍大于拉应力的数值。

通过上述多种工况下管道的应力分析可总结出斜坡埋地输气管道的一般应力特征：管道应力集中现象在斜坡低点处较明显；埋设在斜坡顶部附近的管道二次应力集中；各工况下弯管处应力较大。２．３　不同工况仿真对比分析

本文设计了斜坡长度为１０、３０、６０、９０、１２０、１５０ｍ，（斜坡角为１０°（缓坡）、２０°（斜坡）、３０°（陡坡方式的模型急陡坡）、５０°（，计算得到不同斜坡角险坡）、６０°（险坡），不同埋地管道结构）、４０°、不同斜坡长度下管道的极值Ｍｉｓｅｓ应力数值，如图５、图６所示。

由图５可以看出，当管道埋设在不同斜坡角斜坡山地中，管道的极值Ｍｉｓｅｓ应力随斜坡长度增加变化趋势是相似的，管道Ｍｉｓｅｓ应力峰值随着斜坡长度的增大而显著增大。在斜坡长度为１５０ｍ工况下，斜坡角为１０°管道的极值Ｍｉｓｅｓ应力为４１８．３ＭＰａ，斜坡角为３０°管道的Ｍｉｓｅｓ应力为４４３．５ＭＰａ。极值应力随斜坡长度变化曲线呈现非线性关系，主要原因是埋地管道受到土壤侧压力、土壤覆重、管道自重、管道与土壤之间摩擦力以及管道的内压等综合作用，使得其管道受力与斜坡长度呈非线性关系。

图５　山地坡度较小工况时，管道极值应力随斜坡长度变化曲线图

在山地坡度较大工况时，计算不同斜坡长度管道所受的极值Ｍｉｓｅｓ应力，对比了不同斜坡角的关系，如图６所示。斜坡长度为９０ｍ工况下，斜坡角为４０°管道的极值Ｍｉｓｅｓ应力为４２７．９ＭＰａ，斜坡度为６０°管道的极值Ｍｉｓｅｓ应力为４０９．４ＭＰａ。当斜坡度角较大（大于３５°陡坡）时，随着坡度继续增大，管道的极值Ｍｉｓｅｓ应力会相应减小。在管道建设工程中，对于较大高程

图６　山地坡度较大工况时，管道极值应力随斜坡长度变化曲线图

通过不同长度斜坡下山地管道模型有限元模拟，如图７所示，输气管道埋设在短斜坡（０～６０ｍ）山地工况下，斜坡角２０°时管道所受应力最大。管道埋设在长斜坡（９０～１５０ｍ）山地工况时，斜坡角为３０°时管道所受应力最大。在斜坡长度一定情况下，管道极值应力随斜坡角的增大先增大，斜坡角在２０°～３０°间为极值应力较高区域范围，随着斜坡角的继续增大，极值应力逐渐减小。所以管道建设时应尽量避开埋设于斜坡角为２０°～３０°的斜坡，通过选取最优管道线路，最大限度地减少地质灾害带来的影响以及弯头和水工保护建设的数量。

图７　不同斜坡长度下，管道极值应力随斜坡角变化曲线图

３　结论

山区地质灾害严重程度以及管道工程建设中所需热煨弯管的数量和截水墙、护坡、挡墙等水工保护

的设置都与山地坡度紧密相关。基于斜坡角进行山区斜坡输气管道设计，对选线具有参考意义。

山区斜坡埋地输气管道，应力更多地集中在斜坡上端弯管处及斜坡下端弯管处。在长期使用过程中，斜坡上、下端的敷设管道处在低周疲劳中，由于高应力的急剧变化，此处是极易发生失效的部位。

当斜坡角为２０°～３０°时，管道在斜坡所受应力较

（下转第２５页）

　第２期李荣等：仪扬线泄漏监测系统检测原理及误报警分析

扬子站，与误报警发生的时间基本吻合。

５　结论

（１）仪扬线原道采用基于负压波法的泄漏监测系统，该系统具有响应速度快、能够连续监测、检测原理简单和定位精度高等优点。

（２）由于仪征站仪扬线配输气动调节阀误动作、管输混油段到达扬子计量站、扬子计量站流量计偏流等原因，会引起仪扬线泄漏监测系统误报警。

（３）针对误报警产生的原因，加强巡检，及时发现并处理如调节阀气源压力不足、流量计偏流等异常问题。注意观察站内ＳＣＡＤＡ控制系统中各项参数的趋势曲线，发现异常及时处理。站内开关阀门时，严格遵守“缓开缓关”原则，避免产生水击引起压力波动。站内操作时，提前告知其他输油站。

（４）建议对目前的报警压力阈值进行重新设定。在保证不漏报的前提下，尽量减小泄漏监测系统的误报率。

（５）目前采集得到的压力信号存在较大的噪声干扰，压力－时间趋势曲线波动较大，造成不同操作人员手动定位的结果差别较大，建议对软件的滤波部分进行优化。

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（上接第１８页）

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