劉小暉 羅士棣 張洋 

中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司 

摘要：通過統計分析管道地質災害調查資料，建立管道暗懸受力模型，合理選取模型參數，計算得到在強度和撓度條件下暗懸管道的極限跨度，為管道的應急搶險和安全運營提供依據。

關鍵詞：黃土濕陷；暗懸；極限跨度；安全跨度 

通過對某在役管道2014、2015年汛期調查，查明發生地質災害191處，其中河溝道水毀40處，坡面水毀28處，閥室問題6處，黃土濕陷111處，滑坡6處，分別占21%、15%、3%、58%和3%，判定黃土濕陷是該段管道所遭受的主要地質災害。其機理作用是，管道埋置于地表黃土地層1.5 m左右，在農田灌溉、雨水沖刷等作用下，黃土極易發生濕陷，引發管道基礎不均勻沉降，嚴重時，會使管溝土體流失，導致管道外露或暗懸。當管道自身承載力不足時，管道會發生較大變形彎曲或者彎折破裂，造成管道無法正常使用。

1 研究目的

（1）確定管道暗懸的極限跨度

根據管道在運營中的使用條件，研究管道在管底土體沉陷、沖毀等支撐條件改變后，滿足安全運營需要的極限暗懸長度（極限跨度），并能準確快速的計算出來。

（2）確定管道的安全跨度

結合管道受力特點，針對管道可能的暗懸，確定其安全跨度，設置剛性支墩。

2、管道暗懸受力模型

2.1 建模思路及參數

   2.1.1 建模思路

   根據《油氣輸送管道跨越工程設計規范》（GB 50459-2009）5.1.3之規定，從暗懸管道的約束條件、管道本體材質、輸送介質的參數等情況，分析管道結構的受力狀態，確定地下管道在工作狀態下的應力分布規律，實際狀況下管道暗懸段兩端為固定端約束，忽略活荷載等因素的影響，將管道簡化為簡支梁進行計算。分別通過強度和撓度條件計算暗懸管道在均布荷載作用下的極限跨度。

   2.1.2模型參數

（1）管徑：管道干線管徑為F 508 mm；

（2）壁厚：該處取管道的平均厚度，即9.9 mm；

（3）黃土性質：參考《工程地質手冊》（第四版）中表5-1-9“我國西部四個城市濕陷性黃土的性質指標”中蘭州市的取值，覆土為黃土，密度ρ₁=1.33 t/m³；

（4）管道工作壓力： 2016年4月8日14時17分，調度室的瞬時壓力為9.29 MPa；

（5）輸送介質密度：柴油密度0.81—0.84 t/m³；汽油密度0.73—0.74 t/m³；原油密度0.84—0.86 t/m³，油品密度按最不利情況選取ρ₂=0.85 t/m³。

（6）管道材質：管道材料為X60（L415），鋼管容重：ρ₃=7.85 t/m³；鋼材彈性模量：E=206×10³ N/mm²；鋼材線性膨脹系數α=12×10^-6（1/℃）；X60（L415）的屈服強度為415 MPa。

  2.2管道外力荷載

（1）管道周圍土壓力

土中應力包含土中自重應力和附加應力，土的自重應力是由土的自重產生，附加應力為作用在土層頂部表面的活荷載所產生（作用力較小，文中忽略不計）。對于地下2 m處管道，管頂土體自重應力按土體豎直方向施加于管道上半部分外表面的應力計算，管道上部土壓力q₁=ρ₁·H·D·g。

（2）管道自重

管道自重根據管道材料的容重和體積計算，q₂=π·(D²-d²)/4·ρ₃·g。

（3）管道內油品重

管道油品的重量根據管道內部體積和輸送油品的密度計算， q₃=π·d²/4·ρ₂·g。

  2.3 管道內力條件

根據《油氣輸送管道跨越工程設計規范》（GB 50459-2009）“6.2 管道強度及穩定性計算”。

（1）管道輸送介質內壓引起的環向應力

α_h—管道輸送介質內壓引起的環向應力；d—管道內徑；δ—管道壁厚；P—管道輸送介質內壓。

（2）管道輸送介質內壓引起的軸向應力

（3）管道的溫度變化引起的軸向應力

  σ_at—溫度變化引起的軸向應力；α—鋼管線性膨脹系數；E—鋼材彈性模量；Δt—溫差。

 

  3 管道暗懸跨度的確定

  3.1模型條件

（1）分析模型

假設管道在運營過程中由于支撐土體的改變而出現了暗懸，暗懸僅出現在一個位置，如圖1。此時管道可看作是兩側無限彈性支承、而中間懸空的單跨結構。

圖1   管道暗懸示意

 

根據上述建模方式建立中間具有懸空長度L的計算模型，施加工作壓力、土壓力、管道自重和油自重等外部荷載，計算懸空長度L下管道的應力，計算模型如圖2所示。

 

圖2   管道暗懸分析模型

（2）判別條件

為了確定管道暗懸的極限跨度，結合管道材料、相關規范的計算結果，建立影響安全使用的判別條件。

①強度條件。管道在正常運行狀況下為空間受力狀態，衡量其強度狀態的指標是管道的屈服強度。結合《油氣輸送管道跨越工程設計規范》（GB 50459-2009）中6.2.5規定，強度驗算應滿足：

F——強度設計系數；σ_s——鋼管的屈服強度。②撓度條件。根據《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）中3.5.1規定：

其中f為最大豎向變形，L為懸空長度。

在均布荷載作用下，根據管道自身材料特性，并結合強度和撓度判別標準，分別可得管道在強度和撓度條件下的懸空長度，為確保管道安全，取較小值作為管道暗懸的極限跨度。

  3.2 模型計算及分析

  3.2.1  以強度條件為準

（1）外力計算

本計算以某段管道為例，管徑為508 mm，壁厚9.9 mm，壓力9.29 MPa，材質X60（下同）。

豎向土壓力：

q₁=ρ₁·H·D·g=1.33×2×0.508×0.98=13.24 kN/m

管道自重：

q₂=π·(D²-d²)/4·ρ₃·g=3.14×(0.508²-（0.508-0.0099×2）²）/4×7.85×9.8=1.19 kN/m

管道內油體自重：

q₃=π·d²/4·ρ₂·g=3.14×（0.508-0.0099×2）²/4×0.85×9.8=1.56 kN/m

（2）內力計算

管道輸送介質內壓引起的環向應力：

管道輸送介質內壓引起的軸向應力：

管道的溫度變化引起的軸向應力：

管道容許應力：

（其中F—強度設計系數，達到100%屈服強度，即設計系數取1.0；σ_s—鋼管的屈服強度。）

管道最大當量應力：

由荷載效應組合引起的最大彎曲應力：

（3）管道最大懸空跨度

管道凈截面抵抗矩：

 

由荷載效應引起的管道最大彎矩（《油氣輸送管道跨越工程設計規范》（GB 50459-2009）中6.2.2-2）：

簡支梁在均布荷載作用下彎矩公式：

 

管道最大懸空長度：

 

3.2.2  以撓度條件為準

管道截面慣性矩：

 

簡支梁在均布荷載作用下跨中撓度公式：

 

管道在滿足狀況下的最大懸空長度：

對比管道在強度條件和撓度條件下得出的管道最大懸空長度可知，該管道暗懸的極限跨度14.69 m。

根據《油氣輸送管道跨越工程設計規范》（GB 50459-2009）中3.1.3規定，本文暗懸為輸油管道小型乙類跨越，設計系數取0.65。所以，該管道的安全跨度為9.54 m。

4、結論及建議

（1）該管道的極限跨度為14.69 m，在確保暗懸不影響管道正常運營情況下，建議設置剛性支墩的安全跨度為9.54 m。

（2）加強地基的夯填、增強地基的整體剛度等，減少地基不均勻下沉。

 

作者：劉小暉，1986年生，安徽阜陽人，工程師，研究方向為地質環境保護。

《管道保護》2017年第5期（總第36期）