摘 要

天然氣長(zhǎng)輸管道通過(guò)高填方規(guī)劃道路區(qū)的整治設(shè)計(jì):通過(guò)高填方規(guī)劃道路區(qū)的天然氣長(zhǎng)輸管道，因受路基高填方沉降的影響，會(huì)導(dǎo)致管道力學(xué)形狀發(fā)生變化，管道有可能出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，這將嚴(yán)重影響管道的運(yùn)行安全。

 摘　要：通過(guò)高填方規(guī)劃道路區(qū)的天然氣長(zhǎng)輸管道，因受路基高填方沉降的影響，會(huì)導(dǎo)致管道力學(xué)形狀發(fā)生變化，管道有可能出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，這將嚴(yán)重影響管道的運(yùn)行安全。對(duì)于該類(lèi)問(wèn)題目前多采用建設(shè)保護(hù)涵的方式來(lái)解決，但保護(hù)涵施工困難，投資高且不滿(mǎn)足地方政府道路施工工期的要求。為此，對(duì)高填方段管線應(yīng)力進(jìn)行分析，提出了整治措施并計(jì)算其安全合理性。結(jié)果表明，增大管道壁厚是可行的整改方案。進(jìn)而應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，用梁?jiǎn)卧M管道，將管道上方的回填土視為荷載，管道下方的彈性地基模擬為均勻分布的彈簧，分析了管道的穩(wěn)定性以及因規(guī)劃道路高填方不均勻沉降引起的管道應(yīng)力。通過(guò)應(yīng)力云圖可以看出，管道在沉降突變處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果對(duì)該區(qū)域的管道不采取合理的整治措施，管道將在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)事故。ABAQUS有限元軟件分析結(jié)果也表明，高填方區(qū)管道因不均勻沉降引起的應(yīng)力，通過(guò)增大管道壁厚的整治方案最為經(jīng)濟(jì)、合理。但同時(shí)也指出，管線安全運(yùn)行的根本保障還是避免管線路由敷設(shè)于高填方規(guī)劃區(qū)內(nèi)。

關(guān)鍵詞：埋地管道  高填方  規(guī)劃道路  沉降  應(yīng)力分析  有限元  增大壁厚  保護(hù)涵

Rectification of long-distance pipelines buried under high filling planned roads

Abstract：If a long-distance gas pipeline is unavoidably buried under a high filling planncd road，the high fill subgrade setting will resuit in the change of the pipe's mechanical shape and the local stress concentration on the pipe，which will pose threats to the safe operation of the pipeline．Protection culverts are mostly considered to be a solution but with difficulty in construction，a high cost and inability to meet the requirements for the construction duration of the planned road project organized by the local government．In view of this，besides the scheme of increasing the pipe thickness，we analyzed the pipe’s stability and the stress on the pipe caused by the uneven high fill setting by using the ABAQUS finite element suftware package，in which the pipe was simulated by the beam element，the backfill above the pipe by the stress load，and the elastic foundation underneath the pipe by the evenly distributed spring．From the stress cloud charts，we can see the stress concentration on the pipe where a sudden change Occurs in high fill setting；if without any reasonable measures taken，accidents will be inevitable in the end．The analysis results from the ABAQUS also show that the scheme of increasing the pipe thickness will be the most cost effective and practical way tO deal with the stress resulted from the uneven high fill setting above the pipe．To the best of a long-distance pipeline project，we suggest that the pipeline laying route should be avoided through the high hilling planned road as far as possible．

Keywords：buried pipeline，high filling，planned road，settlement，stress analysis，ABAQUS finite element，protection culvert

由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，天然氣長(zhǎng)輸管道路由不僅要考慮管輸用戶(hù)的需求，同時(shí)還要考慮地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展給管道造成的安全隱患。青島11．22原油管道爆燃事故教訓(xùn)慘痛，管道設(shè)計(jì)要符合地方規(guī)劃。管道路由選擇應(yīng)盡可能避開(kāi)規(guī)劃區(qū)。但管道有時(shí)要與規(guī)劃的城市供氣門(mén)站相接，常需要進(jìn)入規(guī)劃區(qū)內(nèi)。如湖南某輸氣管道因規(guī)劃及工期等原因，部分管道敷設(shè)于未實(shí)施的規(guī)劃城市道路下，因地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，地方政府需要實(shí)施規(guī)劃道路，而規(guī)劃區(qū)內(nèi)管道路由丘陵地形起伏較大，管道上方同填厚度最大達(dá)34m。因高填方將造成管道的地基產(chǎn)生沉降，管道出現(xiàn)應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響管道的安全運(yùn)行[1]。不均勻沉降是導(dǎo)致埋地管道破壞的重要原因之一[2]。針對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道敷設(shè)于高填方規(guī)劃道路下，對(duì)高填方段管線應(yīng)力進(jìn)行分析，提出整改措施并計(jì)算其安全合理性。

1　工程概況

某長(zhǎng)輸管道工程為輸氣管道，管道沿線為三級(jí)地區(qū)，管徑為508mm，壁厚為7.9mm，設(shè)計(jì)壓力為6.3MPa，管道材質(zhì)為X65，約500m管線敷設(shè)于規(guī)劃道路下，由于道路標(biāo)高調(diào)整，管道頂部需填土厚度最大約為34m，管道埋設(shè)深度已超出管道允許的最大埋設(shè)深度要求。另外，由于該段管道上方道路施工過(guò)程中需要回填碾壓，管道存在沉降壓裂和斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

2　整治原理

油氣長(zhǎng)輸管道一般均埋設(shè)在地下，管道周?chē)寥罏楣艿捞峁┲魏捅Ｗo(hù)。土壤的運(yùn)動(dòng)及管道與周?chē)寥篱g的相互作用采用管道土壤相互作用單元建模，管土相互作用單元適用于深埋管線和周?chē)馏w的相互作用問(wèn)題，簡(jiǎn)化了管線與土體接觸面的模擬[3]。

埋地管道可以將管道周?chē)耐寥揽闯删哂幸欢箟簞偠认禂?shù)的彈性土壤，土壤對(duì)管道的作用表現(xiàn)為主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力。管道上方的回填土看作荷載，管道底部的土壤看作彈性地基[4]。將管土間的相互作用過(guò)程視作彈性彈簧的施力過(guò)程，管線的反應(yīng)視為彈性地基梁，適用于場(chǎng)地變形為中小程度的情況[5]。

通過(guò)應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，用梁?jiǎn)卧M管道，將管道上方的回填土視為荷載，管道下方的彈性地基模擬為均勻分布的彈簧，對(duì)敷設(shè)于高填方規(guī)劃道路下的管道整治方案進(jìn)行應(yīng)力分析，判斷整治方案的安全合理性。

3　工程實(shí)例

3．1　整治方案

該段管道壁厚為7.9mm，根據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中的5．1．4條，當(dāng)管道埋設(shè)較深或外荷載較大時(shí)，應(yīng)按無(wú)內(nèi)壓狀態(tài)校核其穩(wěn)定性。該規(guī)范管道徑向穩(wěn)定核算采用依阿華(IOWA)公式計(jì)算管道變形，計(jì)算的△x不應(yīng)超過(guò)管道外徑的3％[7]。

 

式中D為鋼管外徑，m；DX為鋼管水平方向最大變形量，m；Dm為鋼管平均直徑，m；W為作用在單位管長(zhǎng)上的總豎向荷載，N／m；W1為單位管長(zhǎng)上的豎向永久荷載，N／m；W2為地面可變荷載傳遞到管道上的荷載，N／m；Z為鋼管變形滯后系數(shù)，取1.5；K為基座系數(shù)；E為管材彈性模量，MPa；J為單位管長(zhǎng)截面慣性矩m4／m；dn為鋼管壁厚，m；Es為回填土壤的變形模量，MPa。

采用依阿華公式計(jì)算，管頂覆土厚34.2m時(shí)需要管道最小壁厚應(yīng)為14.07mm，目前管道壁厚不能滿(mǎn)足徑向穩(wěn)定性要求，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

 

高填方規(guī)劃區(qū)長(zhǎng)輸管道處理目前多采用保護(hù)涵方案，保護(hù)涵采用跨度4 m鋼筋混凝土蓋板涵，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，保護(hù)涵凈高約為2m，為防止天然氣泄漏危害，保護(hù)涵內(nèi)多用砂進(jìn)行回填。本工程管道路由于敷設(shè)于規(guī)劃道路下地段地形起伏大，部分管溝為高陡邊坡，打樁難度大，管涵施工需要較大的工作面，施工周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，且不滿(mǎn)足地方政府道路施工工期要求。與保護(hù)涵方案相比，更換厚壁管方案具有施工期短、對(duì)道路施工影響小、投資低等優(yōu)點(diǎn)。因此整治方案選用了更換厚壁管線方案，管道壁厚取為14.2mm。

3．2　地基沉降計(jì)算

該段管道路由經(jīng)過(guò)地帶為剝蝕丘陵地貌，以風(fēng)化剝蝕為主，整體地形起伏較大，海拔高度介于111.35～148.38m。管道穿越地段主要由素填土、粉質(zhì)黏土、卵石土組成，下部基巖為白堊系砂礫巖、砂巖。地基沉降計(jì)算中，巖土承載力及變形模量采用表2推薦值。

 

地基土層由于外荷載作用自身的壓縮應(yīng)力(sz)隨深度遞減，地基土的連結(jié)強(qiáng)度(pc)則隨深度遞增，當(dāng)有效壓縮應(yīng)力`s-sz-pc＝0時(shí)，土體就不再產(chǎn)生顯著的變形。連結(jié)強(qiáng)度的存在，使地基在外荷載作用下，荷載與沉降呈非線性關(guān)系，地基變形隨深度迅速衰減[10]。本工程將回填土視為外部附加荷載計(jì)算管道地基的沉降量。管道上部回填土的土壤密度假定與管道下部黏土密度相同。管道上部土壤壓力(p)按式(5)計(jì)算，得到結(jié)果為677kN／m3。

p＝rgH   　　　　 (5)

式中r為土壤密度，kg／m3；g為重力加速度；H為管道覆土深度，m。

根據(jù)GB 50007—20ll《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]。對(duì)管道下地基按式(6)進(jìn)行沉降量計(jì)算，回填土作為附加荷載計(jì)算管道地基沉降量。

 

式中s為地基最終變形量mm；s¢為按分層總和法計(jì)算出的地基變形量，mm；ys為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；n為地基變形深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；Esi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，MPa；Zi、Zi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土，第i-1層土距離，mm；ai，ai-1為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，按規(guī)范附錄采用。

由壓縮模量當(dāng)量值可從規(guī)范表5．3．5查得緲。為0.44，計(jì)算得到總沉降量為185mm。由于計(jì)算中部分土層采用變形模量代替壓縮模量及考慮一定安全系數(shù)，管道下方彈性地基的總沉降量定為215mm。

3．3　管道沉降應(yīng)力校核

3．3．1管道設(shè)計(jì)參數(shù)

該段管道部分敷設(shè)在回填土中，部分敷設(shè)在原土層中，管道存在不均勻沉降問(wèn)題。因此，需要對(duì)整治后管道不均勻沉降進(jìn)行應(yīng)力分析，校核管道強(qiáng)度是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，管道設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

 

有限元分析中將土壤對(duì)管道的約束假設(shè)為均布彈簧約束，管道受土壓力及土壤沉降作用主要發(fā)生垂向變形，主要考慮土壤對(duì)管道的垂向約束的作用。根據(jù)GB 50470——2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》[12]附錄E提供的計(jì)算公式，計(jì)算土壤的垂向彈簧剛度，計(jì)算得到土壤垂向剛度為239N／m。

3．3．2校核準(zhǔn)則

根據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，埋地管道強(qiáng)度校核準(zhǔn)則為：

se＝∑sh-∑sa≤0.9ss      (7)

式中se為管道的當(dāng)量應(yīng)力；sh為各荷載產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力代數(shù)和；sa為各荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力代數(shù)和；ss為管道的規(guī)定屈服強(qiáng)度。

3．3．3分析步設(shè)定及假定

分析考慮的荷載包括外部土壓、管道內(nèi)壓、沉降引起的彎曲以及管道溫差應(yīng)力。管道按最不利工況(不均勻沉降量為215mm)，如此情況下管道應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求，則認(rèn)為管道安全。外部回填土壓強(qiáng)為677kN／m2，管道安裝溫度為5℃。

設(shè)定4個(gè)分析步驟，模擬管道在不同荷載組合作用下的受力情況：①指定管道沉降位移量為215mm；②加載管道的外部土壓；③加載管道的內(nèi)壓；④加載管道設(shè)計(jì)溫度。

3．3．4模型建立

采用ABAQUS中的PIPE31單元模擬管道，計(jì)算長(zhǎng)度采用60倍管徑[13-14]，管道模型總長(zhǎng)度為45m，其中沉降區(qū)域長(zhǎng)度為15m，圖1為整體模型，因其具有對(duì)稱(chēng)性，模型只建一半，其中管道一端為固定約束，另一端為對(duì)稱(chēng)約束，中部沉降量為215mm。

 

3．3．5分析結(jié)果

采用的校核公式為第三強(qiáng)度準(zhǔn)則，ABAQUS軟件給出Tresca強(qiáng)度準(zhǔn)則下的管道應(yīng)力。校核了管道在無(wú)內(nèi)壓、運(yùn)行以及考慮安裝與運(yùn)行溫差效應(yīng)時(shí)3種工況下的應(yīng)力，校核結(jié)果如表4所示，圖2為3種荷載工況組合下的應(yīng)力云圖。

 

 

從表4可以看出，規(guī)劃道路高填土引起管道沉降量為215mm，整治后管道強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4　結(jié)論

研究了通過(guò)高填方規(guī)劃道路時(shí)的天然氣長(zhǎng)輸管道整治方案，并分析了管道的穩(wěn)定性以及因規(guī)劃道路高填方不均勻沉降引起的管道應(yīng)力。通過(guò)應(yīng)力云圖可以看出，管道在沉降突變處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果對(duì)該區(qū)域的管道不采取合理的整治措施，管道將在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)事故。通過(guò)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS分析，高填方區(qū)管道因不均勻沉降引起的應(yīng)力，通過(guò)增大管道壁厚的整治方案最為經(jīng)濟(jì)、合理，但管線運(yùn)行安全的根本保障還是避免管線路由敷設(shè)于高填方規(guī)劃區(qū)內(nèi)。

 

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本文作者：周學(xué)深  楊澤亮  韓鵬

作者單位：中國(guó)石油天然氣管道局天津設(shè)計(jì)院