地面堆载对埋地管道的安全影响分析*

李长俊，马树锋，季楚凌，陈磊

（1．西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500：

2．中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司工程院，上海200120）

摘要：为了分析地面堆载对埋地管道安全性的影响，以非线性接触模型为基础，应用ANSYS有限元软件，建立了地面堆载作用下的三维管土相互作用模型。通过求解模型，探讨了地面堆载的大小、作用位置以及作用尺寸对埋地管道位移、应力和椭圆度的影响。结果表明：管道的应力和椭圆度随着堆载大小的增大呈线性增大；垂直作用于管道正上方的堆载对管道的强度和稳定性影响较大；当作用应力不变时，与长度相比，堆载宽度的变化对管道的影响更显著，而当总作用力不变时，增大堆载长度和宽度均可有效降低其对管道安全性的影响。预期研究结果可以为解决油气管道建设中的安全防护问题提供一定的技术支持。

关键词：地面堆载；埋地管道；位移；强度；稳定性

“11·22”管道爆炸事故，造成了62人遇难，136人受伤，直接经济损失7.5亿元。而在油气管道工程建设中，地面堆载的影响是最常见也是最容易被忽视的因素之一。

 由于模型试验常受到现场条件的限制，越来越多的学者倾向于采用解析法和有限元法研究地面堆载作用下埋地管道的受力特性。韩传军等通过建立管一土耦合的三维数值模型，研究了地表载荷对硬岩区埋地管道力学性能的影响。李镜培等建立了管道剪力、弯矩和变形的计算理论，得出了邻近建筑荷载对地下管线影响程度的定量评价方法。帅健等通过建立三维有限元模型，分析了占压载荷对埋地管道应力与变形的影响。张陈蓉等从工程堆载引起的地层响应角度出发，基于Winkler地基模型，考虑管线接口处的力学特性，提出了工程地面堆载下市政埋地管线响应的简化计算方法。王永强等通过理论计算和实验检测综合分析了埋地管道的相关力学参数，对重型车辆荷载下埋地天然气管道的安全进行了研究。

 本文主要应用ANSYS有限元软件，通过建立地面堆载作用下管道与土体的相互作用模型，探讨了堆载大小、作用位置以及作用尺寸对埋地管道位移、强度和稳定性的影响，研究结果可为油气管道的建设施工与安全防护提供一定的参考。

1  物理模型及计算参数确定

地面堆载作用下的埋地管道分析模型如图1所示。其中，管道轴线沿Z方向，堆载边缘与管道中心水平距离为H，堆载长为L，宽为W，堆载大小为P。以中卫一贵阳天然气管线为例，该管道材质为X80钢，泊松比为0.3，埋深1.Sm，设计输送压力为10MPa，设计管径为1 016 mm，一级地区直管段壁厚为12. 8mm。管周土体以硬质黏土为主，弹性模量为10MPa，泊松比为0.25，粘聚力为3.2×l04Pa，管土间摩擦系数为0.3。

2  埋地管道的失效判据

2.1  强度校核标准

由于管道的受力十分复杂，常处于三向应力状态，因此工程中常采用Von Mises屈服条件对其进行强度校核，即认为管道的最大形状改变比能达到一定值时发生屈服，其表达式为：

 式中：σ1、σ2、σ3分别为第一、第二、第三主应力；σ为设计系数，对于一级地区，c=0.72；σ为管材的屈服应力。

2.2稳定性校核标准

 文献[8]规定，输气管道径向稳定校核应符合下列表达式的要求，当管道埋设较深或外载荷较大时，应按无内压状态校核其稳定性：

 式中：Ax为管道水平方向最大变形量，m；D为管道的平均直径，m。

 将管道的水平方向最大变形量与管径的比值定义为椭圆度△。，当其大于3%时，管道截面发生失稳。

3  有限元模型的建立

3.1  本构模型

3.1.1  管道本构模型

对于管道极限状态的分析，需要考虑管材的非线性特性。本文选择文献[9]中常用的三折线应力一应变关系曲线作为管道的本构模型，如图2所示。其中，81、σ1分别为弹塑性变形的起始应变和应力；8：、σ2分别为塑性变形的起始应变和应力，Ei、σ2分别为弹性区和弹塑性区的材料模量。通过对于X80钢管材进行拉伸试验可知，E1=2.1×105 MPa,u,  = 544MPa,8,  = 0. 002  6 ; E2  = 6  210MPa,U 2 = 621MPa,82 = 0. 015 。

3.1.2土体本构模型

 在ANSYS岩土分析中，常采用Drucker - Prager材料来模拟土体介质。该材料服从Drucker - Prager屈服准则，考虑了由于屈服引起的体积膨胀，但不可考虑温度变化的影响，材料特性由粘聚力、内摩擦角和膨胀角决定。

3.2管土相互作用分析

 目前，常用的管土相互作用模型包括：弹性地基梁模型、土弹簧模型和非线性接触模型。与非线性接触模型相比，弹性地基梁模型和土弹簧模型虽便于计算，但二者均存在大量简化，不能有效的模拟管土间的接触非线性和非线性摩擦。故本文主要以非线性接触模型为基础，借助ANSYS有限元软件应用三维刚性与柔性的面面接触来模拟管土间的相互作用问题。其中，管道由于刚度相对较大，设置为刚性目标面targe170，土体则设为接触面conta174。

3.3边界条件

 由于模型的对称性，为节省计算时间与空间，故只选取二分之一模型进行计算。采用Solid45单元建立有限元模型，并对管周土体进行网格加密。土体模型底部采用固定约束，四周及管道两端采用对称约束，顶部为自由表面，并在堆载处施加压力载荷。计算中暂不考虑温度、初始应力以及外界振动等因素的影响。

4计算结果与分析

4.1  堆载大小对埋地管道的影响规律

图3和图4表示堆载大小对埋地管道的影响，其中L=10m，W=4m，H=4m。从图3中可以看出，随着堆载大小P的不断增加，管侧的最大水平位移也逐渐增大，而管顶的最大竖直位移则先增大后减小；比较两者之间大小也可以发现，在堆载增大的起始阶段，管道的水平方向位移小于竖直方向位移，而当其增大至0. 75MPa时，水平方向位移则大于竖直方向位移。这主要是由于当堆载增大到一定程度时，管道的水平方向位移较竖直方向变化更为显著，使管道在水平方向出现了隆起。而从图4中可以看出，随着堆载的增大，管道的Von Mises应力和椭圆度均呈近似线性增大，表明堆载大小对埋地管道的影响较大。

4.2  堆载位置对埋地管道的影响规律

图5和图6表示堆载位置对埋地管道的影响，其中P=0. SMPa，L=lOm，W=4m。从这两幅图中可以看出，随着堆载偏离管道轴线距离H的不断增大，管侧的水平方向位移和管顶的竖直方向位移均逐渐减小；管道的Von Mises应力和椭圆度也均不断降低。其中，当H=0，即堆载位于管道正上方时，堆载对埋地管道的影响最为显著，此时管道的沉降量高达0. 165m，最大Von Mises应力达到639MPa，椭圆度为5. 12%，管道已经发生强度和稳定性失效，进入塑性状态。因此，在管道敷设施工中应避免地面堆载直接作用于管道上方，地面堆载应尽可能远离管道放置。

4.3堆载尺寸对埋地管道的影响规律

 堆载尺寸的变化主要包括两个方面：一是载荷不随堆载面积的变化而变化，即堆载大小P保持不变，改变堆载面积L×W；二是载荷随堆载面积的变化而变化，但总作用力不变，即堆载大小P和堆载面积L×W均发生变化，但Px/×W保持不变。

4.3.1  应力不变下堆载尺寸对埋地管道的影响

 1)堆载长度对埋地管道的影响

图7和图8表示P=0. 5MPa，H=4m，W=4m时，堆载长度对埋地管道的影响。从图7中可以看出，管侧的水平方向位移和管顶的竖直方向位移均随着堆载长度的增大而增大，且水平方向位移始终小于竖直方向位移；图8表明，随着堆载长度的不断增大，管道的Von Mises应力却呈降低趋势，但降低幅度较小，而椭圆度则逐渐趋于0. 26%。这表明当堆载尺寸沿管道轴线增大时，会使管道发生“均匀”移动，这种变化虽增加了管道的移动范围和大小，但并不会对管道强度和截面稳定性产生太大影响。

 2)堆载宽度对埋地管道的影响

图9和图10表示P=0. SMPa，H=4m，L=lOm时，堆载宽度对埋地管道的影响。从图中可以看出，随着堆载宽度的增大，管侧的水平方向位移和管顶的竖直方向位移逐渐增大；管道的Von Mises应力随堆载宽度的增大也增大，而椭圆度虽有所变化，但仍逐渐趋于0. 45%。而对比堆载长度和宽度对埋地管道的影响可知，堆载宽度的变化对管道的稳定性影响更大。因此，在管道工程建设中，地面堆载应尽量避免垂直于管轴放置。

4.3.2  总作用力不变下堆载尺寸对埋地管道的影响

图11~图14表示总作用力Px/×W=0.5MPa×10m×4m保持不变、H=4m时，地面堆载的长度和宽度变化对埋地管道的影响。从图中可以看出，在总作用力一定的情况下，增大堆载的长度和宽度均可减小堆载应力，从而显著降低其对管道位移、Von Mises应力和椭圆度的影响。因此，在工程建设中，可将管道、作业装置等地面堆载分散放置，以降低其作用压力。

5结论

 1)以非线性接触模型为基础，应用ANSYS有限元软件建立了地面堆载作用下的埋地管道的管土相互作用模型，通过求解模型，分析了堆载大小、作用位置以及作用尺寸对埋地管道位移、应力和椭圆度的影响，结果表明地面堆载对埋地管道的影响是不可忽视的。

 2)当堆载大小为0.1~0. 75MPa时，管道的水平方向位移小于竖直方向位移，但当其增大至0. 75MPa以上时，水平方向位移则大于竖直方向位移，管道出现隆起；而管道的应力和椭圆度均随着堆载大小的增大呈线性增大，堆载大小的变化对管道的安全性影响较大。

 3)当堆载作用于管道正上方时，其对管道的强度和稳定性影响最大，各参数均发生突变，此时管道的沉降量达到0. 165m，应力达到639MPa，椭圆度为5. 12%，管道已发生强度和稳定性失效；而随着堆载偏离管道轴线距离的不断增大，管道的位移、应力和椭圆度均迅速降低，并趋于稳定。

 4)当作用应力不变时，相比于堆载长度，堆载宽度的变化对管道的影响更显著；而当总作用力不变时，增大堆载的长度和宽度均可降低管道的位移、应力和椭圆度，研究结果可为埋地管道的施工与安全防护提供一定的参考。