土体沉降对托架式管道跨越段应力影响的数值分析

蒋 洋

（吉林工业职业技术学院，吉林吉林 132000）

土体沉降对托架式管道跨越段应力影响的数值分析

蒋 洋

（吉林工业职业技术学院，吉林吉林 132000）

为了有效保障油气长输管道的平稳运行，针对工程实际中托架式管道跨越段进行应力分析，重点考察了土体沉降对管道跨越段应力分布的影响，为设置合理的跨越角度提供理论依据。结果表明，埋地水平管段发生沉降时，埋地弯管、架空弯管两处出现应力集中，架空弯管处应力值较埋地弯管处应力值大，减小跨越段斜管角度可有效降低上述两处的应力值。

土体沉降；埋地管道；托架式跨越段；应力分析

随着我国油气长输管道里程的不断增长，管道铺设过程中穿越的地形、地貌也变得更为复杂多变，因地质灾害而破坏的管道也逐渐增加[1]。其中，土体沉降较为常见，而且土体沉降对管道造成的影响极大。特别是对管道的跨越段，土体沉降常常导致管道产生过量的塑性，造成管道的失效，不但影响油气的正常运输，而且还会造成安全隐患[2]。因此，采用有限单元法对托架式管道跨越段进行数值分析，对跨越段进行应力评定，提供合理的跨越角度，为工程实际提供设计依据。

1 模型建立

托架式管道跨越段包括：埋地水平管段、埋地弯管、斜管段、架空弯管、架空处水平管段。土体沿河岸发生沉降，埋地水平管段为土体沉降区域。本文重点研究埋地水平管段土壤发生沉降，土壤最终沉降载荷对托架式管道跨越段的影响，所以假设土体为均匀沉降。

选取某在建天然气长输管道项目滨州站附近跨越段为例进行分析，该长输管道工作压力为5.7MPa，工作温度为17℃，介质为纯净压缩天然气，燃气密度为0.57kg/m3。管道内径D=813mm，有效壁厚为t=17.3mm，材质为L485M，弹性模量为2.3×105MPa，泊松比为0.3，管道密度为7 850kg/m3。管道埋深2.5m，采用3PE防腐，假设土体为弹性体，弹性模量为30MPa，土壤重力3 200N/m3，泊松比为0.25。埋地水平管段长为10m，埋地弯管和架空弯管曲率半径为D，架空段水平管段长度为3m，预设斜管段角度为60°，斜管段水平高度为5m。

架空处水平管段有支撑梁，可以认为其受力后在任意方向上不存在位移，即该处施加固定端约束。埋地水平管道约束水平方向位移，埋地水平管端面施加轴向力和径向土体载荷[3]。考虑管道自身及介质重力，重力加速度为9.8m/s2，因介质温度与环境温度相差不大，不考虑热应力。采用实体单元solid186进行六面体网格划分，管道壁厚方向份数为两份，架空弯管及架空直管段有限元模型见图1。

2 数值计算与结果分析

图2为当管道上方土体发生沉降时整个跨越段的应力分布云图，从图中可以看出，埋地水平管段发生沉降时，对埋地弯管、架空弯管影响较大，存在应力集中，Von Mises最大应力点出现在水平架空弯管处，为526.4MPa。管道材质L485M的许用应力值为485MPa，当应力值超过管道自身的屈服强度时，认为管道发生塑性变形将发生破坏，即该种布置方式不合理。其他条件不变，将预设斜管段角度为45°。由图2可见，与预设斜管段角度为60°应力分布规律相同，埋地弯管、架空弯管两处Von Mises应力较大。同样，应力极值点仍出现在水平架空弯管处。但最大值减小为479.7MPa，小于管道自身的屈服强度485MPa，可见减小预设斜管段角度可有效降低跨越段的管道应力，该种布管方式可以满足工程需要。

图1 土体沉降后跨越段应力云图

图2 预设斜管段角度为45°时土体沉降后跨越段应力云图

3 结论

土体沉降对托架式管道跨越段应力影响较大，埋地弯管、架空弯管两处出现应力集中，工程中应注意以上两处的应力值，避免因过量塑性变形所导致的管道失效。此外，减小跨越端斜管角度可有效降低弯管处的应力值。

[1] 尚尔京，于永南.地层塌陷区段埋地管道变形与应力分析[J].西安石油大学学报：自然科学版，2009，24（4）：46-49.

[2] 刘仕鳌，蒲红宇，刘书文，等.埋地管道应力分析方法[J].油气储运，2012，31（4）：274-278.

[3] GBT9711—2017，石油天然气工业管线输送系统用钢管[S].

[4] 张一楠,马贵阳,周玮,等.沉降土体对管道跨越结构应力影响的分析[J].中国安全生产科学技术,2015,11(8)： 106-111.

[5] 马贵阳,杜明俊,李丹.永冻区埋地管道周围土壤水热力耦合数值计算[J]. 中国石油大学学报：自然科学版,2011,35(3)：108-114.

Numerical Analysis of the Influence of Soil Settlement on the Stress of Barrier Pipeline

Jiang Yang

In order to effectively ensure the smooth operation of long-distance oil and gas pipelines，the stress analysis of the cross-section of the brackets in engineering practice is carried out.The influence of soil settlement on the stress distribution of the pipeline cross section is studied emphatically.in accordance with.The results show that the stress concentration of the buried pipe and the overhead elbow occurs when the buried pipe is settled，and the stress value of the overhead elbow is larger than that of the inflow pipe.Reduce the stress value of the above two.

soil subsidence；buried pipeline；bracket type cross section；stress analysis

TU991.05

B

1003-6490（2017）12-0025-01

2017-09-20

蒋洋（1988—），男，吉林吉林人，助教，主要研究方向为油气储运技术。