堆载作用下埋地管道应力影响因素及失效荷载研究*

为探究地面堆载导致埋地油气管道失效的事故影响因素,通过对管道在堆载作用下的工程案例进行概化,以X70管道为研究对象,采用有限元软件建立管道在堆载作用下的三维模型,采用理论计算验证模型的可行性,开展管道应力与变形分析,探讨不同的堆载强度、管道埋设深度、下卧层土体杨氏模量、管道内压与堆载偏移距离对管道应力的影响,同时开展多因素耦合研究。研究结果表明:深埋管道会促进附加应力向两端扩散,管道中心部位以外的应力值呈现为深埋＞浅埋;当下卧层杨氏模量大于20 MPa后,管道偏于安全;内压在0~2 MPa时,可以抵消部分堆载对管道的影响,内压大于2 MPa后,管道应力整体增大,此时管道应力由内压主导;得到不同管道埋深与不同下卧层土体杨氏模量耦合工况下X70管道失效时的堆载强度。研究结果可为埋地管道在堆载作用下的安全防护问题提供参考。     

地表载荷对硬岩区埋地管道应力应变影响分析

为研究地表载荷对硬岩区埋地管道力学性能的影响,建立了管-土耦合三维数值模型,分析了地表载荷大小、作用面积、管道压力、管道径厚比及回填土弹性模量对管道应力分布、塑性应变、椭圆度的影响。结果表明:地表压载作用下,高应力区首先出现在管道顶部且呈椭圆形;随着地表载荷及其作用面积的增大,管道高应力区逐渐扩大,管道截面左右两侧也出现应力集中;随着回填土弹性模量、管道壁厚及内压的增加,管道顶部高应力区及最大等效应力均减小。塑性应变首先出现在管顶,且塑性区随地表载荷、载荷作用长度增加而增大,随回填土体弹性模量及管道壁厚增大而逐渐减小;当内压为0~4MPa时,管道塑性应变及塑性区随内压的增大而减小。管道椭圆度随回填土体弹性模量、管道内压、壁厚增加而逐渐减小,随地表压载增大而增大。     

地面爆炸载荷下埋地管道动力响应分析

为研究地面爆炸载荷作用下埋地管道的动力响应问题,建立了爆炸载荷下的埋地管道数值计算模型,对地面爆炸后埋地管道的应力、变形过程进行了仿真,并研究了炸药量、管道壁厚和管顶覆土厚度对管道应力应变的影响规律。结果表明:地面爆炸发生后,管道应力和变形在短时间内迅速增大,较短作用时间后开始稳定,随后主要往轴向扩展,高应力区和塑性应变区出现在管道上半部分,管道回弹前高应力区局部出现应力衰减;越靠近迎爆点,管道应力波动越大;炸药量越大、管顶覆土厚度越小,埋地管道截面的应力波动越大;炸药量越大、管道壁厚和管顶覆土厚度越小,埋地管道变形越大。     

深层圆弧形滑坡作用下长输埋地输气管道响应分析

针对影响长输埋地管道安全运行的山体滑坡问题,基于深层圆弧形滑坡理论和有限元方法,建立了在深层圆弧形滑坡作用下的管道计算 模型,对管道的受力进行了数值模拟。对土壤密度、管道壁厚、管道内压以及土抗剪强度进行了参数敏感性分析,研究了各参数对发生滑坡时 管道所受最大应力的影响规律。结果表明:当滑坡规模、滑坡角度增大时,管道所受Von Mises值会随之增大;随土壤密度的增加,管道所受的 应力也会增加;在滑坡多发区,应设计大壁厚的管道,以增加管道安全性;应确保管道内压小于10MPa,当内压突增时应有紧急预案;土抗剪强 度对在深层圆弧形滑坡作用下管道所受应力的影响明显小于其他3个敏感参数。该研究工作为山体滑坡区的安全管道设计提供了一定的参考,对 确保滑坡区埋地管道的安全运营有重要意义。     

城镇燃气埋地含缺陷聚乙烯管道应力分析

建立了埋地含缺陷聚乙烯管道模型,应用有限元方法计算管道的应力和变形量,分别考虑管道内压、地面载荷和管道缺陷深度变化对管道应力和变形的影响。研究结果表明,管道最大应力随管道内压的增大而增大;随地面载荷的增加呈先减小后增大趋势;随管道缺陷深度增大而增大。管道变形量随内压增大而增大,但增长较小;随地面载荷增大而增大,增长较大;管道缺陷深度只对管道缺陷处变形量有影响。研究结果为确定城镇燃气聚乙烯管道工作能力提供了理论依据。     

截断阀室水淹后管道沉降的防护技术研究

为了保证长输天然气管道的安全运行,需要对其截断阀室遭受水淹后管道的不均匀沉降行为进行研究。应用ANSYS软件建立了管土非线性接触模型,通过对其进行分析建立了沉降量与最大Von Mises应力和椭圆度之间的映射关系,结果表明:不均匀沉降对管道强度的影响更明显,二者间基本呈线性关系,最大Von Mises应力随着沉降量的增大而增大,根据第四强度理论便可确定管道失效时的极限沉降量。同时还探讨了管径、内压、壁厚、埋深对管道应力状态的影响,降低内压、增大壁厚以及减小埋深和管径均可降低不均匀沉降时管道的最大Von Mises应力,但其中管径和壁厚的变化对管道最大Von Mises应力的影响更为显著。预期研究结果可以为山区管道的实时监测与防护措施制定提供一定的技术支持。     

交通荷载作用下埋地含缺陷PE管道力学行为研究

为分析埋地含缺陷PE管道在交通荷载作用下的力学行为,选用Prony级数模拟管道,并采用ABAQUS有限元软件建立不同缺陷PE80管道模型和不同埋深的管土模型。通过对管道轴向与环向应力的研究,确定不同条件下管道的应力大小与分布。结果表明:当管道存在缺陷时,缺陷处会出现应力突变;不同位置的缺陷对管道的应力分布影响不同;缺陷相对深度改变会使缺陷处应力变化明显,通过建立多元回归方程得出对缺陷管道最大Von Mises应力影响程度为,缺陷相对深度（Q）>管道埋深（H）>车辆荷载（P）。     

影响凹陷管道安全因素分析

为了分析管道上凹陷对其安全性的影响,以非线性接触模型为基础,应用ABAQUS有限元软件,建立矩形状压头作用于管道的三维模型。通过求解模型,探讨了凹陷深度、凹陷位置、凹陷尺寸、管道内压对管道轴向应变和韧性失效损伤因子的影响。结果表明:管道的轴向应变随着内压的增大而增大,然而内压的存在却对管道韧性失效起到一定的抑制作用。当韧性失效损伤因子D=1时可以通过韧性断裂准则预测其临界失效应变;当凹陷深度超过一定范围内压会使损伤程度增大;当凹陷位置为垂直于管道正上方时,其对管道的轴向应变及韧性失效损伤因子的影响较大;当管道内压一定时,随着凹陷变形量的增加,与凹陷轴向长度相比,凹陷宽度的变化对管道的轴向应变及韧性失效损伤因子程度影响更显著,而增大凹陷长度和宽度均可有效降低其对管道安全性的影响。     

地表夯击载荷作用下埋地管道力学分析

为研究地基强夯作业中夯击载荷对埋地管道力学性能的影响,基于有限元原理建立了夯锤-管道-围土耦合三维模型,分析了夯击过程中管道截面变形及所受冲击力变化规律,研究了管道壁厚、夯击速度、夯锤体积对管道应力、应变及变形的影响规律。结果表明:夯击载荷下的管道所受冲击力为脉冲型,且随时间推移逐渐降低为0,最大冲击力随管道壁厚、夯击速度、夯锤体积增大而增大;管道最大等效应力、高应力范围及最大等效塑性应变随壁厚增加而减小,但随夯击速度或夯锤体积增大而增大;随着夯击速度、夯锤体积增大,管道截面变形率（椭圆度或凹陷率）逐渐增大,但其随壁厚增加而减小。     

加载条件下不同埋深原水管道受力特征模型试验*

为探究不同埋置深度对原水管道影响,利用缩尺模型对不同埋深条件下原水管道受力特征进行分析,综合研究管道外径、管道埋深、加载值和加载方式等因素对管道受力影响。结果表明:中心加载条件下,随管道埋深增加,管道应力呈先增大后减小趋势,当埋深厚度与管径比值为3时,管道应力达到最大,土拱效应开始显现;偏心加载条件下,埋深厚度增大使管道应力不断增加,但后期管道应力增长率小于前期;相同埋深厚度条件下,中心加载与偏心加载条件下,同截面管底处应力值相对最大。研究结果可为不同埋深区域内原水管道维护运营提供指导。     

重型车辆荷载下埋地天然气管道的安全分析

道路下的埋地天然气管道在重型车辆荷载通过时,管道受力一旦达到破坏强度就可能产生安全事故,造成天然气泄漏而引发燃烧与爆炸的危害,需要进行安全分析来判定重载车辆能否安全的通过道路运输。该文用理论计算和实验检测的方法综合起来分析埋地管道的相关力学参数,然后与管道自身的强度参数进行比较,从而判断埋地管道是否破坏。通过实例验证的方法说明了该方法在类似的项目分析中具有适用性和操作性,并提出了分析方法应用的初始条件。该方法可以作为判断埋地天然气管道在重载车辆作用下的一种安全评价方法,在条件允许的情况下可以利用数值模拟的方法进行比较印证,从而得到更为可靠的判断结论。同时,该方法也为埋地天然气管线在重载作用下的保护提供了基础资料,可以在此指导下更有效的保护天然气管线免受破坏。     

沉降土体对管道跨越结构应力影响的分析

为了更好地保障长输管道的安全稳定运行,针对长输管道当中的跨越结构进行了应力分析与计算。基于管道跨越结构其结构的特殊性,极容易受到断层、土体塌陷等地质灾害的影响。因此建立了跨越段埋地管道与土壤相互作用的有限元力学模型,分析了30°、40°、50°、60°跨越结构和不同范围土体发生沉降时,管道的应力变化情况。结果显示,当跨越结构中斜管段的角度确定后,便可计算出相应的安全沉降长度;当斜管段角度为50°时,沉降长度控制在13.6m以内,可保证跨越结构不发生塑性变形。通过研究为管道跨越段的安全设计提供了理论依据,该方法可应用在类似的管道跨越结构的应力设计当中。     

地质滑坡条件下不同因素对油气管道危险性影响分析

地质滑坡对油气管道的安全运行危害很大。建立横向滑坡管道有限元模型,分析管道的力学行为和极限状态,研究了滑坡位移、滑坡规模、埋深和土质等因素对管道变形和应力的影响,为可能滑坡地区管道的设计、施工和维护提供理论依据和技术参考。     

Corrosion failure probability analysis of buried gas pipelines based on subset simulation

Corrosion is the main reason for the failure of buried gas pipelines. For effective corrosion failure probability analysis, the structural reliability theory was adopted in this study to establish two calculation models for pipeline corrosion failure: the pressure failure model and von Mises stress failure model. Then, two calculation models for the corrosion failure probability were established based on a corrosion depth growth model obtained from actual survey data of soil corrosion characteristics. In an example, Monte Carlo simulation (MCS) and subset simulation (SS) were used to analyze the corrosion failure probability of pipelines, and the results were compared. SS can compensate for the shortcomings of MCS as it has higher computational efficiency and accuracy. Therefore, SS was adopted to simulate variations in the corrosion failure probability of buried pipelines with the service time for the two failure probability calculation models, which were applied to a natural gas pipeline located in a chemical industry park in Zhuhai, China. A sensitivity analysis was carried out on the relevant parameters that affect the failure probability. The results showed that multiple loads caused by the covering soil, residual stress, temperature differential, and bending stress have a non-negligible effect on the pipeline reliability. The corrosion coefficients gradually become the most important factors that affect the failure probability with increased service time. The proposed methodology considers the actual operating conditions of pipelines to provide a reliable theoretical basis for integrity management.     

500 kV单回线路与油气管道安全相对位置研究*

为解决交流输电线路对油气管道电磁日益突出的干扰问题,减少电磁干扰带来的危害,针对500 kV单回线路,在电磁暂态仿真软件中建立线路与油气管道模型,综合我国现行关于管道受电磁干扰的安全标准,计算得到线路稳态和暂态时,不同土壤电阻率下线路与管道的安全相对位置。研究结果表明:线路稳态时,随着管道长度增加需增大两者交叉跨越角度或并行安全间距,当管道交叉跨越段长度超过20 km或并行段长度超过25 km时,所需交叉跨越角度或并行安全间距趋于稳定;线路单相短路故障时,不可忽略感性耦合影响。当土壤电阻率不超过50 Ω·m,该工况并行安全间距要求小于线路稳态工况,当土壤电阻率大于等于100 Ω·m,该工况并行安全间距要求更高;线路雷击工况时,当土壤电阻率不超过50 Ω·m,线路与管道无安全间距要求,当土壤电阻率为100,200,500 Ω·m时,安全间距分别为8.9,19.8,50.9 m,且管道并行段长度对安全间距几乎无影响。研究结果可为拟建管道工程设计提供参考。