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輸油懸空管道洪水沖刷作用下的安全評(píng)價(jià)

文檔作者：王海蘭馬廷霞徐洪敏趙瀟于家付文檔來(lái)源： 1．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2．中國(guó)石油西南管道公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月30日
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石 油機(jī)械
CHINA PETROLEUM MACHINERY 2015年 第43卷 第1期
●管道工程
輸油懸空管道洪水沖刷作用下的安全評(píng)價(jià)
王海蘭 馬廷霞 徐洪敏 趙 瀟 于家付
(1．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2．中國(guó)石油西南管道公司)
摘要：洪水沖刷是影響輸油懸空管道穩(wěn)定性的重要災(zāi)害之一。對(duì)洪水沖刷輸油懸空管道進(jìn)行
受力分析可知，漂浮管道易產(chǎn)生拉彎變形。為此，建立了水沖管道力學(xué)分析模型，應(yīng)用基于應(yīng)變
準(zhǔn)則的失效判據(jù)關(guān)系式來(lái)判斷管道的安全狀態(tài)，并用有限元軟件ABAQUS對(duì)X60輸油管道在一定
洪水流速和一定懸空長(zhǎng)度2種工況下的安全狀態(tài)進(jìn)行模擬與分析。分析結(jié)果表明，最大應(yīng)力、應(yīng)
變及撓度與懸空長(zhǎng)度成正相關(guān)關(guān)系；一定懸空長(zhǎng)度下，最大應(yīng)力、應(yīng)變及撓度與洪水流速成正相
關(guān)關(guān)系，且當(dāng)流速大于3 m／s時(shí)，管道的振動(dòng)頻率升高，加大管道失效可能性。水沖懸空管道的
危險(xiǎn)點(diǎn)位于埋設(shè)段與懸空段交匯處的水流入側(cè)。
關(guān)鍵詞：洪水沖刷；輸油懸空管道；應(yīng)變準(zhǔn)則；安全評(píng)價(jià)；有限元；模擬分析
中圖分類(lèi)號(hào)：TE973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10．3969／j．issn．1001—4578．2015．O1．024
Safety Evaluation for Suspended Oil Pipelines under Flood Scouring
Wang Hailan Ma Tingxia Xu Hongmin Zhao Xiao Yu Jiafu
(1．School of Mechatronic Engineering of Southwest Petroleum University；2．PetroChina Southwest Pipeline Company)
Abstract：Flood scouring is a key factor that may present severe threat to stability of suspended pipe—
lines．Results of force analyses for suspended pipelines under flood scouring show that floating pipelines are suscep—
tible to bending deformation．Mechanical analysis model for pipelines with flood scour is established．In addition，
strain criteria are used to determine safety conditions of the pipeline．A finite element software，ABAQUS，is used
for simulating and analyzing safety conditions of X60 oil pipelines at certain flood velocity and certain suspended
length．Test results show that maximum stress，strain and deflection have positive cmTelation with the suspended
length．Moreover，under specific suspended length， maximum stress，strain and deflection have positive correlation
with flood velocity．With flow velocities higher than 3 m／s，pipelines may have vibration frequencies increased
together with possibilities of failure．The point with highest danger of suspended pipeline under flood scouring locates
at the jointing section between buried interval and the suspended interval on the side with water inflow．
Key words：flood scouring；oil transportation suspended pipeline；strain criteria；safety evaluation；finite
element； simulation analysis
0 引 言
長(zhǎng)輸管道通常要穿越數(shù)千米的距離，尤其是中
國(guó)西部管道通常在高壓、惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，對(duì)管
道的壽命預(yù)測(cè)和安全評(píng)估帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) 。研
究表明，在自然地質(zhì)災(zāi)害(如開(kāi)采沉陷、山體滑
坡、洪水沖擊、地震 。 等)作用下，由地層變形
產(chǎn)生的地表大幅度移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致輸油管道出現(xiàn)局部
屈曲、皺褶甚至大跨度的懸空 』，嚴(yán)重影響管道
的安全運(yùn)營(yíng)。我國(guó)是一個(gè)地理環(huán)境多變的國(guó)家，湖
泊、河流眾多，洪水災(zāi)害較為頻繁。管道在穿越水
文活動(dòng)地域時(shí)，若河床劇烈變化或遇到洪水災(zāi)害，
容易造成管道的裸露和漂浮，尤其對(duì)采用傳統(tǒng)開(kāi)挖
基金項(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣股份有限公司西部管道公司項(xiàng)目“油氣管道懸空安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究”(XG11—2012—012)。

石 油機(jī)械 20t5年第43卷第1期
力的判斷標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)是以管道的最小屈服強(qiáng)度為
極限載荷，以管壁應(yīng)力為限制的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)¨ 。但
隨著研究的深入和管材性能的提高，越來(lái)越多的研
究表明這種判別標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于保守。在大規(guī)模地表移動(dòng)
條件下，管道要適應(yīng)地面曲率的變化，這時(shí)，管道
的應(yīng)變應(yīng)由地表曲率決定，并非由計(jì)算應(yīng)力獲得，
因此采用基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)更為合理 。
基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立在以極限狀態(tài)設(shè)計(jì)和
位移控制加載思想的基礎(chǔ)上 ，對(duì)以位移控制
載荷為主要載荷的管段，在保證管道安全運(yùn)營(yíng)的條
件下，允許管道的應(yīng)變達(dá)到甚至超過(guò)其屈服應(yīng)變，
此時(shí)管道雖然發(fā)生了一定的塑性變形，但仍能滿足
生產(chǎn)要求。
2．1 拉伸應(yīng)變
管體存在缺陷時(shí)，若拉伸應(yīng)變達(dá)到或超過(guò)極限
應(yīng)變，可使管道斷裂。管道在主載荷(與管道變
形無(wú)關(guān)但能影響靜態(tài)平衡的載荷)、次載荷(引發(fā)
或阻礙管道變形的載荷)或兩者組合引起的拉伸
應(yīng)變應(yīng)滿足式(7) 15]：
Ⅱ ≤ 咖 (7)
式中 ——環(huán)向或縱向因子化拉伸應(yīng)變，無(wú)量
綱，％ ；
— — 拉伸應(yīng)變抗力系數(shù)，無(wú)量綱，可取
0．7；
— — 管道的極限拉應(yīng)變，無(wú)量綱，％ ，應(yīng)
該根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定，同時(shí)還應(yīng)考慮管材的焊
縫、缺陷以及熱影響區(qū)等因素，當(dāng)缺乏信息時(shí)可取
0．75％ 。
2．2 壓縮應(yīng)變
當(dāng)管道嚴(yán)重彎曲或承受壓縮載荷時(shí)，管道截面
會(huì)受到壓應(yīng)力和壓應(yīng)變，當(dāng)管壁最大壓應(yīng)變達(dá)到或
超過(guò)臨界應(yīng)變時(shí)，管壁將會(huì)出現(xiàn)局部屈曲或褶皺。
為了防止壓縮變形引起的管道失效，對(duì)壓縮應(yīng)變提
出了以下要求¨ ：
f≤ (b 8 c (8)
式中 —— 因子化的縱向或環(huán)向壓縮應(yīng)變，無(wú)
量綱，％ ；
— — 壓縮應(yīng)變阻力因子，無(wú)量綱，可取
0．8；
s ——管道的縱向或環(huán)向壓縮極限應(yīng)變，
無(wú)量綱。
壓縮應(yīng)變通常由試驗(yàn)確定，同時(shí)應(yīng)考慮初始缺
陷、內(nèi)外壓、殘余應(yīng)力及材料本構(gòu)關(guān)系等因素的影
響，當(dāng)缺乏具體信息時(shí)可按式(9)取值：
0．5 t
一。．002 5+3 000[ ]
4
。．5吉-0．002 5+3 ooo( )
4
(9)
式中，t為管道壁厚，m；D為管道外徑，m；P 為
最大設(shè)計(jì)壓力，MPa；P 為最小外部靜水壓力，
MPa；E為彈性模量，MPa； 為最小屈服強(qiáng)度，
MPa。
洪水沖擊管道主要受豎向力q (q =F + —
w)和橫向力q (q =F。+F )的共同作用，由
于橫向載荷的作用力較大，所以管道失效形式主要
表現(xiàn)為拉彎變形。在軸向應(yīng)力較高的情況下管道可
能出現(xiàn)塑形失穩(wěn)或拉斷等現(xiàn)象，特別是管材存在缺
陷情況下，一旦拉應(yīng)變達(dá)到其極限應(yīng)變，管道將可
能被拉斷。因此，采用拉伸應(yīng)變?cè)u(píng)定洪水沖擊管道
的安全狀態(tài)較為合理。
3 水沖作用下懸空管道的有限元仿真
為了更好地研究洪水沖擊作用對(duì)管道的變形及
受力特征的影響，以經(jīng)過(guò)中國(guó)西部塔里木輸油氣分
公司的X60輸油管道為例，采用大型有限元計(jì)算
軟件ABAQUS對(duì)洪水沖擊作用下的懸空管道進(jìn)行
仿真模擬。
3．1 基本假設(shè)
漂浮管道及管土接觸受許多因素的影響，為了
便于模擬，忽略次要因素，做如下假設(shè) ：①臨
近懸空部分的岸土未被沖刷；②管體在模擬的部分
呈水平布設(shè)，無(wú)夾角；③暫不考慮地震和溫度變化
的影響；④管道材質(zhì)均勻，表面無(wú)缺陷等；⑤洪水
均勻沖刷管道，流速固定，忽視流體的震蕩。⑥土
壤和管道的物理性質(zhì)關(guān)于管道軸向?qū)ΨQ(chēng)分布。
3．2 計(jì)算模型
假定土體為空間半無(wú)限體，管道軸向?yàn)闊o(wú)限
體?？紤]到優(yōu)化計(jì)算量問(wèn)題，將管道軸線設(shè)于寬度
截面正中，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，取 模型計(jì)算，這樣可以
提高計(jì)算速度，同時(shí)又不影響仿真的精確度。設(shè)定
模型時(shí)將土體長(zhǎng)度設(shè)定為懸空管道長(zhǎng)度的 。有限
元模型的幾何特征如圖3所示。在計(jì)算過(guò)程中，設(shè)
土體的下表面全約束，側(cè)面四表面只允許上、下移

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