管道输运是重要的运输方式之一, 同时埋地管道以成为长距离输送原油、天然气等介质的重要举措, 但随着管道铺设量的逐渐增加, 长输埋地管道需要穿越各种复杂的地质环境, 但考虑到地域地形的多变性, 埋地管道不可避免的会遭受到地质灾害所带来的潜在威胁, , 山体滑坡同样是引起埋地管道失效的重要原因, 如何有效的预测山体滑坡作用下埋地管道的承载力已被众多学者予以广泛关注。
1 山体滑坡区域内长输埋地油气管道强度研究现状
目前, 部分学者已经开始对于山体滑坡区域内长输埋地油气管道强度失效的问题进行了深入的研究工作, 但主要是集中于断层作用下, 对于山体滑坡作用下的这一诱因的研究相对较少。同时部分开展的研究分析都没有全方位的考虑几何、和接触的非线性, 难以准确的预测偏移后管道应变软化阶段的承载能力。[1]虽对管道材料应变软化阶段的力学响应做过研究, 但如果想要更深入的探讨在山体滑坡区域内长输埋地油气管道强度的强度失效机理, 对发生偏移后管道上所发生的裂缝从萌生到断裂的整个过程的全面描述是具有十分重要的价值意义的。[1]国外目前对于该领域的相关标准有较为完善的经验, 但目前我国的设计标准工作还基本处于空白阶段, 急需建立起符合国情的安全评价方法, 以此来为今后管道从设计到制造, 从检验到风险评估, 都能有一个十分完善的技术支持。
2 山体滑坡作用下埋地管道承载能力分析
本文通过假设焊缝力学性能与管道木材相同, 且土体的力学基本性能为线弹性, 同时在山体滑坡的过程中, 管道与周围的土体偏移方向是沿着轴线方向呈多项式的分布。选用X65钢和X100钢来作为使用材料, 应变曲线如图2-1所示。依据土体的性能取粘土层的基本参数, 将变形模量设定为28MPa, 泊松比设定为0.45。在计算中选取的管道直径为813mm, 其设计压力为6.3m Pa。同时在山体滑坡过程中, 土体是推动着管道同时进行运动。由于管道和周围的土体会受到十分复杂的外力作用, 基本很难用简单的弯曲和剪切力来表示, 所以对于有限元分析时滑坡作用力将采用位移载荷来进行有效控制。
为了更好的验证有限元模型的有效性, 不同有限元模型条件下的管道偏移的预测结果, 本文采用非线性的稳定算法来进行计算, 如图2-2所示。
结果表明, 当有限元模型的预测结果不随着网格密度的增加而出现变化时, 那么就表明当前的有限元网格密度能准确的反映出模拟埋地管道在山体滑坡区域作用下的变形过程。但管道由于受到了周围土体的推动作用而相应的产生了沿轴线方向的偏移, 致使周围的土体会对导管产生附加的作用力, 同时管道将会在特定的山体滑坡区域内会产生应力。对管道在山体滑坡区域内作用下的实效过程可以将表述为:山体滑坡作用促使管道与周围土体发生了不均匀性的偏移, 同时在变形的过程中导致了管道的具体出现了明显的应力, 随着偏移程度的不断加剧, 应力的效益将会越来越显著, 最终致使应力超过管道材料的极限承载荷, 导致管道失效。
一般埋地管道的最终失效的极限偏移会跟随着滑坡区的宽度而增加, 随着内压的增加而逐渐减少。但同时管道的极限偏移会随着内压的增加而呈现出对数衰减趋势, 这充分说明管道在发生小度偏移时, 其承载能力的下降不明显。如在内压小于设计压力时, 管道上的最大主应变只会与土体和材料有紧密关系, 应将其作为工程采用应变的重要依据。
非线性稳定算法的计算效率较高, 能够清晰的描述出管道上裂缝萌生至断裂的工程, 技能满足较好的数值稳定性, 又能保证较高的计算效率。[3]因此, 在对山体滑坡区域内长输埋地油气管道的强度分析, 可以采用该算法来作为数据支持。同时XFEM的预测方法, 也能很好的预测地管道发生失效时的极限偏移结果。
3 结语
总之, 由于各地区的土地性能千差万别, 目前还上文形成一套统一的理论依据来对各地土体力学行为进行准确的反映。而本文的分析只是建立在原有的文献资料之上, 各方面的探讨有所欠缺, 粗浅不一。为了能够更好的对土体滑坡区域内长输埋地油气管道的强度进行系统性的研究, 还需大量的后续补充实验验证和具体的实例研究, 来深度完善相关资料的缺失, 推动土体滑坡区域内长输埋地油气管道的强度研究的进一步深入发展。
摘要：随着我国经济的快速发展, 对石油能源的需求也日益上升。但如何对山体滑坡作用下埋地管道的承载力进行准确预测, 有效判断出现偏移管道安全运行, 是学术界和工程界的高度关注和为之攻关的重点课题。为此, 本文通过对山体滑坡作用下埋地油气管道进行了一系列的探讨, 并提出了相关的见解, 以供相关人员参考借鉴。
关键词：山体滑坡,埋地汽油管道,强度
参考文献
[1] 李又绿, 徐文彬, 陈华燕等.滚石冲击作用下埋地高压输气管道的可靠性分析[J].中国安全生产科学技术, 2012, 08 (4) :29-33.
[2] 闫东东.埋地原油腐蚀管道的剩余强度评价[J].电子测试, 2014, (4) :158-160.