山体隧道输气管道应力影响因素分析

罗 旋 陈 林 王 军

中国石油西南油气田公司输气管理处重庆输气作业区 重庆 400000

我国西南地区以山地、丘陵地形为主，输气管道经过这些区域时，为避免爬坡敷设增加输气管道总里程、保护当地的生态环境，输气管道通常采取隧道穿越的敷设方式[1-2]。山体隧道输气管道应力分布及变化特征受多种因素的影响，包括运行压力、运行温度、环境温度、支墩间距、斜管倾角等[3-4]。当前山体隧道输气管道的设计尚无理论支撑，主要依赖经验参数，管道运行存在安全隐患[5]。本文分析各种因素对管道应力的影响，为山体隧道输气管道的设计与运行管理提供参考。

1 应力分析模型的建立

1.1 基本参数

分析石岭岗隧道输气管道，该隧道穿越采用“平巷（进口段）- 斜巷（出口段）”形式。隧道水平长度为1229m，隧道总长为1290m，其中进口段长度为666m，斜巷长度为624m。管道在隧道平、斜巷内支撑在支墩上，支墩间距12m。为保障隧道内管道安全，减少因温度应力造成的管道变形和位移，在两岸隧道洞口外设置25m 的水平温度补偿管段管沟和固定墩。隧道内输气管道管径（φ）为813mm，材质为L485（X70）直缝埋弧焊钢管，管道设计压力为6.3MPa，采用三层PE 加强级防腐。运行压力3.5～5.0MPa、运行温度21.5℃。

1.2 模型建立

根据工程数据，本文利用CAESAR II 软件建立隧道输气管道应力分析模型。隧道进口与出口分别设置固定墩1 与固定墩2，设置固定域约束为“ANC”；管道受到支墩约束，应力简化为承受轴向力、剪力及弯矩，仅在Z 与Y 方向受约束。石岭岗山体隧道输气管道应力分析模型见图1。

图1 石岭岗山体隧道输气管道应力分析模型

1.3 应力分布特征

石岭岗山体隧道输气管道应力分布见图2。

由图2 可知，输气管弯头处较容易发生应力集中现象，是应力危险截面，其中弯管1 处的一次应力值最大；除弯头区域，应力分布较为均匀。依据设计标准[6-7]，一次应力、二次应力、综合应力最高节点应力数值均未超过0.9 倍的管材许用应力，管道运行状态下的一次、二次应力满足规范要求。

图2 石岭岗山体隧道输气管道应力分布

2 应力影响因素分析

2.1 运行压力的影响

设置运行温度21.5℃、环境温度20℃、支墩间距12m、斜巷倾角20°，模拟山体隧道输气管道内压为3.5～6.0MPa，发现应力与内压呈正比，管道危险断面的位置无变化；管道一次应力随着内压的升高而增大，而内压改变对二次应力的影响并不大。

综合输气管道在不同内压下的应力分布，输气管道在不同内压下的最大应力随内压增大，石岭岗山体隧道输气管道最大应力随内压的变化规律见图3。

图3 石岭岗山体隧道输气管道最大应力随内压的变化规律

2.2 运行温度的影响

设置石岭岗隧道输气管道运行温度为21.5～50℃，发现应力随运行温度的增加而增大，山体隧道输气管道危险断面的位置无变化。管道的二次应力变化随着运行温度的增加而增大，但一次应力的变化不明显。

综合山体隧道输气管道在不同运行温度下的应力分布，管道最大应力随运行温度的增大而增大，石岭岗隧道输气管道最大应力随运行温度的变化规律见图4。当运行温度超过40℃后，管道内外温差增大，应力增大幅度显著增加。因此，当温度超过40℃时，需要更加需要关注温度对山体隧道输气管道应力的影响。

图4 石岭岗隧道输气管道最大应力随运行温度的变化规律

2.3 环境温度的影响

山体隧道输气管道的环境温度为5～20℃时，石岭岗山体隧道输气管道最大应力随环境温度的变化规律见图5。随着环境温度的增加，山体隧道输气管道内外温差降低，综合应力降低；管道内外温差增大时，应力增大幅度明显增加。因此，在冬季时，更要注意隧道内管道的运行安全。

图5 石岭岗山体隧道输气管道最大应力随环境温度的变化规律

2.4 支墩间距的影响

石岭岗山体隧道输气管道最大应力随支墩间距的变化规律见图6。

图6 石岭岗山体隧道输气管道最大应力随支墩间距的变化规律

由图6 可知，随着支墩间距的减小，管道最大应力减小。支墩过大易造成管道轴向失稳。当间距由12m 降低至6m 时，成本投资增加一倍,施工难度增大，应力降低幅度仅为1.6%，因此，支墩间距也不宜过小。

2.5 斜管倾角的影响

设置管道倾斜角度为20°≤α≤35°，石岭岗山体隧道输气管道最大应力随斜管倾角的变化规律见图7。随着斜管倾角的增加，管段最大综合应力值增加，倾斜角为30°～35°时，应力值明显增大。

图7 石岭岗山体隧道输气管道最大应力随斜管倾角的变化规律

3 影响应力变化的主控因素分析

依据灰色关联分析比较各对比因素（运行压力、运行温度、环境温度、支墩间距、斜管倾角）与最大应力的关联程度。各影响因素的关联度见表1。

由表1 可知，各影响因素的关联度均大于0，说明各因素对管道应力均有影响。分析关联度的数值，运行压力的关联度最大，为0.79，说明运行压力是影响管道应力的主要控制因素。

表1 各影响因素的关联度

4 结论

（1）通过计算分析，发现在运行状态下，管道一次、二次应力均满足规范要求。同时，与其他区域相比，弯管是应力危险截面。

（2）随着运行压力、运行温度的增加，管道危险断面位置无变化，管道最大应力随之增大。当运行温度超过40℃，管道内外温差增大，应力增大幅度明显增加，需要重点关注温度对管道应力的影响。

（3）随着环境温度变化，管道内外温差增大，应力增大幅度增加。因此，冬季的时候，更需要注意隧道内管道的运行安全。在设计时，隧道支墩间距不宜过大，斜巷隧道输气管道的角度不宜超过30°。

（4）结合灰色关联分析法，得到各因素的关联度，其中运行压力是影响管道应力的主要控制因素。