占压荷载下管道应力定量评估及规律研究

马晓强

摘 要：由于长输管道线路长、经过地区地质情况和人文环境复杂，管道沿线地质灾害或者第三方活动等容易对管道造成占压。为定量评估占压荷载作用下管道安全情况，需对占压荷载作用下管道应力进行定量计算。另外，本文计算出了地面占压载荷作用下长输天然气管道在不同情况下的应力大小及变化规律，为管道保护工作提供了参考。

关键词：天然气；长输管道；占压荷载；应力计算；安全评估

我国天然气工业处在快速发展时期，天然气管道建设里程不断增加[1]。由于长输管道线路长、经过地区地质情况和人文环境复杂，管道沿线地质灾害或者第三方活动等容易对管道造成占压[2]。对占压荷载下管道应力进行定量计算可以模拟管道形变及应力变化情况，准确评估管道是否发生疲劳破坏或者应力损伤，对管道完整性管理有着重要的意义。

1.管-土作用模型

目前工程上主要采用简化的理想模型来模拟管道-土壤间的相互作用，比较常见的管道-土壤作用模型有：弹性地基梁模型、土弹簧模型和非线性接触模型[3-5]。本文采用土弹簧模型 [6]。美国土木工程师协会ASCE《埋地管道设计手册》给出了土壤等效为非线性弹簧的方法，通过计算土壤的受力-位移关系来确定土弹簧的特性参数[7]。

1.1 管道模型

对埋地管道进行建模时，将埋地管道视为等径、无腐蚀的钢制圆管，忽略管道焊缝的影响。兼顾计算精度和计算量大小，利用四边形板壳单元建立管道模型。板壳单元为4节点单元，每个节点分别有6个自由度，板壳单元厚度为管道壁厚。

1.2 土壤模型

根据美国土木工程师协会给出的方法，管道周围土壤等效为在轴向、水平和竖直三个方向上的非线性弹簧，简称土弹簧。土弹簧一端约束全部自由度，一端连接管道单元节点，将土壤对管道的约束离散为在管道单元节点上三个方向的土弹簧约束，如图1所示。轴向、水平、竖直方向上土弹簧的特性参数通过手册给出的公式计算得出。

1.3 载荷加载

对于管道上方因为塌方、采矿等外力因素造成的占压，若占压压力没有超过管道下方土壤的极限承载能力，占压载荷简化为均匀占压，占壓载荷为均布静载荷；若占压压力超过管道下方土壤的极限承载能力，占压段管道沉降对两侧管道产生轴向拉应力，此时占压载荷视为局部载荷。

2.管道占压特例计算

在本文中，选取某输气管道干线为计算对象，管道材料为X65钢，弹性模量为207GPa，泊松比为0.3，取安全系数为0.72，管道屈服强度为432MPa[8]。计算管段长度为20m，管道外径为711mm，管道壁厚为14.2mm，忽略管道外防腐涂层的影响。

某搅拌站由于在管道上方堆放石子形成占压，占压物为堆积石子，堆积高度为8m，管道埋深为2m，管道内压8.5MPa，管道壁厚14.2mm。将占压石子重量等效为对地面的压力，加载计算，计算出管道最大等效应力为435MPa，已经大于管道设计许用应力432MPa，因此此处占压需尽快治理。由于最大变形量为17.2mm，应检测防腐层是否脱落破损。

3.占压情况下管道应力变化规律

3.1 占压载荷对管道应力的影响

管道内压分别取0MPa、4MPa和8MPa，埋深为2m，管周土壤为硬质砂土，管道周围砂土内摩擦角为30°，分别取占压载荷为0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa。管道应力变化如图3所示。由图3知，在其他条件不变的情况下，管道最大等效应力随着占压载荷的增加近似呈线性增加。

3.2 管道埋深对管道应力的影响

随着深度的增加，土壤对管道的力学特性发生变化，深度越深土壤对管道的作用力越大。同时，随着埋深的增加，管道上覆土壤重量随之增加，管道所受土壤压力也增加。管道周围为致密砂土，占压载荷为0.1MPa时，管道运行工况压力分别为0MPa、4MPa和8MPa时，管道埋深对管道最大等效应力变化的影响如图4所示。

由图4可知，随着管道埋深的增加，管道最大等效应力逐渐减小。因而，增加管道的埋深是管道保护的有效手段，在考虑管道施工成本的前提下应尽量增加管道埋深。

3.3 土壤特性对应力的影响

管道承受0.1MPa的占压载荷，埋深为2m，在内压为8MPa的情况下，若管道周围土壤为砂土，在不同内摩擦角下，管道应力变化情况如图5所示，若管道周围土壤为粘土，在不同粘聚力情况下，管道应力变化情况如图6所示。

由图5知，砂土在致密和疏松情况下管道最大等效应力相同，随着内摩擦角的增加，土壤对管道的约束能力增加，管道最大等效应力呈指数减小。由图6知，随着粘聚力的增加，管道所受约束随之增加，管道最大等效应力呈指数减小。

对比图5和图6，致密砂土和疏松砂土的作用效果相同，因为砂土的主要特性为内摩擦角，即砂土由于土壤颗粒之间的摩擦作用产生约束力，与土壤是否板结、致密没有太大关系。硬质粘土和软质粘土作用效果不同，因为粘土的主要特性为粘聚力，即粘土对管道的作用力主要是粘土分子之间的作用力，这种力和土壤的板结、致密程度为正相关。

4.结论

通过以上研究，本文主要得出以下结论：

（1）在不同占压载荷情况下，随着占压载荷的增加，管道最大等效应力线性增加，其中管道内压为0MPa时，随着占压载荷增加，管道最大等效应力增加较快。

（2）对于浅埋管道，管道埋深是影响管道应力的重要因素。管道在带压和不带压情况下，随着管道埋深的增加，土壤对管道约束加强，管道最大等效应力呈线性减小。

（3）不同土壤特性情况下，管道应力变化也不相同。在砂土作用下，随着内摩擦角的增加，管道受到约束加强，最大等效应力变小。致密砂土和疏松砂土作用效果相同。在粘土作用下，随着粘聚力增加，管道受到约束加强，最大等效应力变小。硬质粘土和软质粘土作用效果不同，硬质粘土对管道的约束效果要好。

参考文献

[1]潘家华.我国天然气管道工业发展前景预测[J].油气储运，2011，30.

[2]帅键，王晓霖，叶远锡等.地面占压荷载作用下的管道应力分析[J].中国石油大学学报（自然科学版），2009.

[3]龙驭球.弹性地基梁的计算[M].北京：人民教育出版社，1981.

[4]王翔.地震灾害作用下长输天然气管道安全性研究[D].中国石油大学（华东），2012

[5]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.

[6]喻建胜，张鹏，彭星煜等.提高我国高强度输气管道设计系数研究[J].油气储运，2009.

（作者单位：中国石油化工股份有限公司天然气榆济管道分公司）