洪水中悬跨管道加装防护索的力学行为及布索方案



洪水中悬跨管道加装防护索的力学行为及布索方案

埋设在河流中的油气管道在洪水的冲刷作用下，容易漂浮于洪水中而形成悬跨，洪水对裸露管道的冲击作用很大，管道易发生显著弯曲变形，其中部分管道由于强烈的洪水冲击而有可能断裂，进而造成严重的事故。目前常用的是打桩稳管法，可防止管线水平位移或产生过大的弯曲应力。打桩稳管法适用于岩基河床，岩基河床上打桩容易，稳定效果好；而对于冲刷性河床打桩稳定性差，稳管效果不好，加之在卵石河床上打桩也比较困难，故不宜采用。中国石油大学（北京）依托国家科技重大专项“连续管装备与应用技术”通过分析洪水漂浮管道的受力特点，建立线性力学分析模型和非线性有限元模型，提出了一种临时的水工保护设计，在管道冲刷形成悬跨后，及时在管道受冲击一侧通过夹具加装2条对称的临时防护索，防护索材料使用钢丝绳，布置方式如图6所示。并针对这种临时防护索的布置方式、截面面积选择进行研究，为悬跨管道在洪水载荷作用下的安全防护提供参考。

图6 悬跨管道的防护索布置模型示意图

防护索布置方式不同，管道的应力分布、大小均不同，所以需要找出最合适的防护索布置方式。通过算例分析不同悬跨长度、洪水流速下，防护索加装角度、位置对管道变形与应力的影响，得出防护索最佳的布置方式，即加装位置为管道悬跨长度的1/4处，方向与管道夹角为60°。

随着管道规格、跨长、流速的变化，需要的防护索截面积也不同，确定防护索许用最小截面积，分析各因素对其的影响具有重要的意义，既可以保证管道的安全，也可以合理选择钢丝绳类型，避免浪费。防护索截面积选用原则：管道不发生屈服破坏，根据第四强度理论，危险点Mises应力小于屈服强度；钢丝绳应力小于许用应力。

结论认为：悬跨管道加装防护索后显著降低了管道的应力水平，为悬跨管道在洪水载荷作用下的安全防护及现场抢修工程提供了解决方案。

孟芳芳 摘编自《天然气工业》杂志2016年2月

《洪水中悬跨管道加装防护索的力学行为及布索方案》原作者李思嘉等