黄土湿陷区长输管道暗悬长度探析

王智博，刘小晖，罗士棣

(1.兰州石化职业技术学院，兰州　730060；2.中石油西南管道公司兰州输油气分公司，兰州　730060)



黄土湿陷区长输管道暗悬长度探析

王智博1，刘小晖2，罗士棣2

(1.兰州石化职业技术学院，兰州730060；2.中石油西南管道公司兰州输油气分公司，兰州730060)

统计分析研究区2014、2015年度管道地质灾害调查结果，得到黄土湿陷最为发育，占灾害总量的58%。黄土湿陷形成的碟形地、裂缝、落水洞、陷穴、暗穴等轻则造成管区填土不均匀沉降或局部塌陷，重则导致管道出露或暗悬。长距离暗悬管道，在自身重力和外加荷载作用下，可能发生弯曲变形、甚至断裂，严重威胁管道运营安全。本次研究依据实际情况构建管道暗悬受力模型，合理选取模型参数，计算得到在强度和挠度条件下暗悬管道的极限跨度依次为15.41 m、14.69 m，并确定管道的安全跨度9.54 m，为管道的应急抢险和安全运营提供依据，为管道黄土湿陷灾害防治提供技术保障。

黄土湿陷；暗悬；极限跨度；安全跨度

本文选取在役管道1 260.68 km，2014年、2015年汛期共查明地质灾害191处，其中河沟道水毁40处，坡面水毁28处，阀室问题6处，黄土湿陷111处，滑坡6处，分别占21%、15%、3%、58%和3%，由上可以看出黄土湿陷是该段管道所遭受的主要地质灾害。管道埋置于地表黄土地层1.5 m左右，在农田灌溉、雨水冲刷等作用下，黄土极易发生湿陷，引发管道基础不均匀沉降，严重时，会使管沟土体流失，导致管道外露或暗悬。当管道自身承载力不足时，管道会发生较大变形弯曲或者弯折破裂，造成管道无法正常使用，并影响管道安全运营和沿线油品供应。

1　研究目的

本研究目的为：

(1) 确定管道暗悬的极限跨度

根据管道在运营中的使用条件，研究管道在管底土体沉陷、冲毁等支撑条件改变后，满足安全运营需要的极限暗悬长度(极限跨度)，并能准确快速的计算出来。

(2) 确定管道的安全跨度

结合管道受力特点，针对管道可能的暗悬，确定其安全跨度，设置刚性支墩。

2　管道暗悬受力模型

2.1建模思路及参数

2.1.1建模思路

根据《油气输送管道跨越工程设计规范》(GB 50459-2009)中5.1.3规定：跨越结构分析所需的各种几何尺寸，以及所采用的计算图形、边界条件、作用的取值与组合、材料性能的计算指标、初始应力和变形状况等，应符合跨越结构的实际工作状况，并应具有相应的构造保护措施。

本项目依据暗悬管道的约束条件、管道本体材质、输送介质的参数等情况，分析管道结构的受力状态，确定地下管道在工作状态下的应力分布规律，实际状况下管道暗悬段两端为固定端约束，忽略活荷载等因素的影响，将管道简化为简支梁进行计算。分别通过强度和挠度条件计算暗悬管道在均布荷载作用下的极限跨度。

2.1.2模型参数

(1) 管径：管道干线管径为Φ508 mm。

(2) 壁厚：该处取管道的平均厚度，即9.9 mm。

(3) 黄土性质：参考《工程地质手册》(第四版)中表5-1-9“我国西部四个城市湿陷性黄土的性质指标”中兰州市的取值，覆土为黄土，密度ρ1=1.33 t/m3。

(4) 管道工作压力：压力是2016年4月8日14时17分，调度室的瞬时压力为9.29 MPa。

(5) 输送介质密度：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，故本文中油品密度按最不利的选取ρ2=0.85 t/m3。

(6) 管道材质：管道材料为X60(L415)，钢管容重：ρ3=7.85 t/m3；钢材弹性模量：E=206×103N/mm2；钢材线性膨胀系数α=12×10-6(1/℃)；X60(L415)的屈服强度为415 MPa。

2.2管道外力荷载

管道荷载主要包括：

(1) 管道周围土压力

土中应力包含两部分构成，一部分为土中自重应力和附加应力，土的自重应力是由土的自重所产生的应力，附加应力为作用在土层顶部表面的活荷载所产生的应力。对于地下2 m处管道，计算管顶土体自重应力按土体竖直方向施加于管道上半部分外表面，管道上部土压力可由q1=ρ1·H·D·g来计算，对于附加应力，主要是土层顶部表面活荷载，作用力较小，文中忽略不计。

(2) 管道自重

管道自重根据管道材料的容重和体积，由q2=π·(D2-d2)/4·ρ3·g计算。

(3) 管道内油品重

管道油品的重量根据管道内部体积和输送油品的密度，由q3=π·d2/4·ρ2·g计算。

2.3管道内力条件

根据《油气输送管道跨越工程设计规范》(GB 50459-2009)中 “6.2 管道强度及稳定性计算”中的规定：

(1) 管道输送介质的内压引起环向应力

由材料力学知识，对仅承受工作压力P、管道内径为d、壁厚为δ的圆形管道，其径向截面上的拉应力, 即管道输送介质的内压引起环向应力应按下式计算：

式中，σh为管道输送介质内压引起的环向应力；d为管道内径；δ为管道壁厚；P为管道输送介质内压。

(2) 管道输送介质内压引起的轴向应力

式中，σal为管道输送介质内压引起的轴向应力(MPa)。

(3) 管道的温度变化引起的轴向应力

式中，σat为温度变化引起的轴向应力；α为钢管线性膨胀系数；E为钢材弹性模量；Δt为温差。

3　管道暗悬跨度的确定

3.1模型条件

(1) 分析模型

假设管道在运营过程中由于支撑土体的改变而出现了暗悬，暗悬仅出现在一个位置，如图1。此时管道可看作是两侧无限弹性支承，而中间悬空L的单跨结构。

图1　管道暗悬示意

根据上述建模方式建立中间具有悬空长度L的计算模型，施加工作压力、土压力、管道自重和油自重等外部荷载，计算悬空长度L下管道的应力，计算模型如图2所示。

图2　管道暗悬分析模型

(2) 判别条件

为了确定管道暗悬的极限跨度，结合管道材料、相关规范的计算结果特点，建立判别影响安全的使用的条件：

① 强度条件

管道在正常运行状况下为空间受力状态，衡量其强度状态的指标是管道的屈服强度。结合《油气输送管道跨越工程设计规范》(GB 50459-2009)中6.2.5规定，强度验算应满足：

式中，F为强度设计系数；σs为钢管的屈服强度。

② 挠度条件

根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中3.5.1规定为了不影响结构或构件的正常使用和观感。一般情况下，结构或构件变形的容许值见本规范附录A的规定。“附录A结构和构件的变形值中A.1受弯构件的挠度容许值”规定平台板的跨中挠度不应大于受弯构件跨度的1/150，即：

其中，f为最大竖向变形，L为悬空跨度。

在均布荷载作用下，根据管道自身材料特性，并结合强度和挠度判别标准，分别可得管道在强度和刚度条件下的极限跨度，为确保管道安全，取较小值作为管道暗悬的极限跨度Lmax。

3.2模型计算及分析

3.2.1以强度条件为准的计算

(1) 外力计算

本计算以某段管道为例，管径为508 mm，壁厚9.9 mm，压力9.29 MPa，材质X60。

① 竖向土压力

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

② 管道自重

q2=π·(D2-d2)/4·ρ3·g=3.14×(0.5082-(0.508-0.009 9×2)2)/4×7.85×9.8=1.19 kN/m

③ 管道内油体自重

q3=π·d2/4·ρ2·g=3.14×(0.508-0.009 9×2)2/4×0.85×9.8=1.56 kN/m

(2) 内力计算

① 管道输送介质内压引起的轴向应力

管道输送介质内压引起的环向应力：

管道输送介质内压引起的轴向应力：

σa1=0.5σh=0.5×229.06=114.53 MPa

式中，σal为管道输送介质内压引起的轴向应力。

② 管道的温度变化引起的轴向应力

σat=αEΔt=1.2×10-5×2.06×105×20=49.44 MPa

③管道容许应力

[σ]=Fσs=1.0×415=415.00MPa

式中，F为强度设计系数，达到100%屈服强度，即设计系数取1.0；σs为钢管的屈服强度。

④ 管道最大当量应力

根据《油气输送管道跨越工程设计规范》(GB 50459-2009)中6.2.5规定：

强度验算应满足σ≤Fσs，

所以管道最大当量应力σ=Fσs=415.00 MPa

⑤ 由荷载效应组合引起的最大弯曲应力

σa2=σ-σa1-σat=415.00-114.53-49.44=251.03 MPa

⑥ 管道最大悬空长度

管道净截面抵抗矩：

0.001 89 mm3

根据《油气输送管道跨越工程设计规范》(GB 50459-2009)中6.2.2-2可得：

由荷载效应引起的管道最大弯矩为

M=Wσa2=0.001 89×251.03×103=475.02 kNm

根据简支梁在均布荷载作用下弯矩公式：

即管道最大悬空长度

3.2.2以挠度条件为准的计算

管道截面惯性矩：

4.806×10-4m4

根据简支梁在均布荷载作用下跨中挠度公式：

综上所述，对比管道在强度条件和挠度条件下得出的管道最大暗悬长度，可得，该管道，管径为508 mm，壁厚9.9 mm，压力9.29 MPa，材质X60，管道最大暗悬长度为14.68 m。

根据《油气输送管道跨越工程设计规范》(GB 50459-2009)中3.1.3关于设计系数的规定，本文暗悬为输油管道小型乙类跨越，设计系数取0.65。所以，该管的安全跨度为9.54 m。

4　结论及建议

根据输油管道的极限跨度的分析，在管道暗悬模型的基础上，为了保障管道的正常工作，结论及建议如下：

(1) 该管道的极限跨度为14.68 m，在确保暗悬不影响管道正常运营情况下，建议设置刚性支墩的安全跨度为9.54 m。

(2) 加强地基的夯填、增强地基的整体刚度等，减少地基不均匀下沉。

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LOESS DISTRICT PIPELINE PROBE INTO THE DARK OVERHANG LENGTH

WANG Zhi-bo1,LIU Xiao-hui2, LUO Shi-di2

(1.Lanzhau Petrochemical College of Voational Tachnology,Lanzhou730060,China; 2.PetroChina Southwest Pipeline Company Lanzhou Branch of Oil and Gas Transmission,Lanzhou730060,China)

Statistical analysis of the study area in 2014 and 2015 geological disaster survey results get most loess collapsibility and development, accounting for 58% of the total disaster. Formation of loess collapsibility dish, cracks, water cave, sinkhole, hidden caves and other light caused district fill uneven settlement or partial collapse, to lead out or dark overhang. Long dark suspended pipeline, under its own gravity and imposed loads, you may bend or even break, serious threat to the safety of pipeline operation. This study based on the actual build pipeline dark force suspension model, choosing the model parameters obtained in intensity and dark of suspended pipeline under the condition of deflection limit span followed by 15.41 m, 14.69 m, and to determine the safety of pipeline span of 9.54 m, provide the basis for emergency rescue and security operations of the pipeline, pipeline loess subsidence disaster and provide technical support.

Collapsibility of loess; Hanging dark; Limit span; Safe span

1006-4362(2016)03-0096-04

2016-05-22改回日期：2016-07-05

甘肃省科学院青年科技创新基金(2013QN-12)、兰州输油气分公司青年攻关活动

P642

A

王智博(1988-)，女，硕士研究生，助教，主要从事环境保护方面的研究。E-mail:fengdediaolin@163.com