发布时间：2021-04-06所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 当代化工
《塌陷区埋地管道力学性能分析》论文发表期刊：《当代化工》；发表周期：2020年12期
《塌陷区埋地管道力学性能分析》论文作者信息：李心雨（1994-），女，硕士，研究方向：油气储运系统安全工程。
摘要：管道运输是输送石油天然气资源的重要运输方式之一。在油气管道的敷设过程中，不可避免地会穿越土体塌陷区。处于塌陷区的埋地管道由于土体沉降等因素的作用，会导致管道处于悬空状态，在多重载荷作用下，管道会因此弯曲变形甚至会发生断裂。为预防这类事故的发生，需要对管道进行一系列力学分析，以此来评估埋地管道的失效情况。考虑到埋地管道在悬空长度、管道内压、抬升角度变化的情况下应力和应变，利用有限元软件，计算具体情况下的影响参数，为埋地管道在塌陷地区的工程设计提供数据支持。
关键词：塌陷区;埋地管道;应力应变
Abstract: Pipeline transportation is one of the important transportation modes for transporting oil and gas resources.
During the laying of oil and gas pipelines, it will inevitably pass through the soil subsidence area. The buried pipeline in the collapsed area will be suspended due to factors, such as soil settlement and so on. Under multiple loads, the pipeline will be bent and deformed or even fractured. To prevent such accidents, it is necessary to carry out a series of mechanical analyses to assess the failure of the buried pipeline. In this paper, with the help of finite element software.
the buried pipeline was simulated, and the stress and strain of the pipeline under different suspended lengths, pipeline internal pressures and lifting angles were analvzed. which could provide some reference for the engineering design of buried pipelines in collapsed areas
Key words: Subsidence area, Buried pipeline; Stress and strain
近年来，在国民经济持续蓬勃发展和人民生活日益向好的大背景下，我国对油气资源的需求量也是不断增加，在各行业的生产运转过程中都是不可或缺的角色。尤其是作为清洁能源的天然气，利用率逐渐增长，已经成为生活生产中必不可少的一部分。天然气行业专家在《中国天然气发展报告(2019)》
和《中国天然气行业景气指数分析》中预测，未来一年天然气行业处于景气状态，且2050年前我国天然气消费将保持增长趋势[12，为适应需求，我国油气管网不断扩展，截至2018年底，我国油气长输管道的建设里程累计达到13.6万km。但将我国当前油气资源的产量和需求与油气管道的发展相对比，油气管道的增长速度相对滞后，输送管网不够完善，因此也在一定程度上限制了石油天然气行业的发展1-5)，同时，我国地域辽阔，且资源分布不均匀，油气管网覆盖广阔，因而不可避免地会跨越地表塌陷的区域。为满足对资源的需求，加快油气管网建设，对油气管道进行科学的分析是非常必要的。
在塌陷区的管道，自重、压力等多种作用力可导致管道弯曲和变形，严重情况下会导致管道断裂16-7，各学者对此实际工程做过一系列探讨。
CHENCIS]以西气东输山西段煤矿为例，对长壁开采引起的管土相互作用机理及管道应力分布特征进行数值模拟，并用测量数据对数值模型进行校正;张一補9-10建立了跨越段埋地管道的模型，重点分析了弯管与斜管段的应力变化规律;吴张中1将采空塌陷区的土体塌陷过程分为了4个阶段，对各个阶段的受力情况进行安全评价;赵欢[2根据某机场工程实况，计算在不均匀沉降下回填土中输油管道的位移、转角、弯矩的值，对地埋管道的破坏形式进行了分析。
土体塌陷是一种典型的地质灾害，对管道的影响十分巨大，管道一旦遭到破坏，其损失是无可挽回的131。为了降低事故的发生率，本文将在各种研究基础上，对塌陷区埋地管道进行有限元分析。考虑管道悬空长度、管道内压、抬升角度变化3个方面所受到的影响，从而更科学地避免事故的发生，为合理预测塌陷区管道的使用情况提供一定的理论依据。
1建立模型
1.1力学模型
当管道通过塌陷区时，由于土体沉降等因素，致使埋地管道下方土体下榻，管道处于悬空状态。塌陷区埋地管道力学模型如图1所示，L为管道悬空长度，h为管道埋深。
1.2 数学模型
本文将土体视为均匀沉降，分布于管道上的载荷也是均匀的。在管道上取一d微段，如图2所示。
1.3 有限元模型
借助ANSYS有限元软件，模拟某管道途经采空地表沉陷区，管道材料为X60，管径为508 mm，管道壁厚为10 mm，弹性模量为2.06 x 10"Pa，泊松比为0.3，密度为7800 kg-m。模型网格划分时，因管道为输送油品管道，管道内壁在网格划分时增加膨胀层，能更好地捕捉流体对管道的Von Mises应力和应变影响。模型及网格划分如图3所示。
2数值模拟及结果分析
2.1悬空长度
假设管道运行内压为6MPa，当管道悬空长度分别为50，60，70，80，90，100m时，管道所受Von Mises应力、轴向应变情况如图4所示。随着管道悬空长度的增加，管道所产生的Von Mises应力也随之增大，管道所受Von Mises应力值范围在272.35~ 607 MPa之间。当管道悬空长度在50-80m之间时，管道所受应力应变在屈服强度范围内，与此同时管道所产生的应力随着悬空长度的增加也明显增大。当管道悬空长度在80-90m之间时，管道所产生的Von Mises应力达到屈服强度，应力增加相对较为平缓。当管道悬空长度在90-100m之间，管道所产生的Yon Mises应力急剧增加，但管道所受应变范围在0.27%~0.33%之间，并未达到极限应变2%。
2.2管道内压
图5所示为管道在不同内压下产生的Von Mises应力和最大轴向应变。
从曲线图可以看出，管道产生的Von Mises应力随着管道内压的增加而增加。其中当管道悬空长度到达90m并且管道内压由6 MPa增加到7 MPa时，管道所产生的Von Mises应力急剧增加，但随着管道内压继续增大，管道Von Mises应力的增长速率趋于稳定。管道所受最大轴向应变随着管道内压的增加而变大，呈线性正相关。但是由图5(b)可以看出，在管道悬空长度为90m，管道内压由6MPa增加到7 MPa时，管道应变并没有像Von Mises应力急剧增加，而是平稳增长。
2.3抬升角度
假设管道处于悬空长度为50m且内压为6 MPa的工况下运行，随着管道抬升角度的变化，管道所产生Von Mises应力和最大轴向应变如图6所示。
从图6可以看出，当管道抬升角度由5增加到309时，管道所产生的Von Mises应力和最大轴向应变在急剧增加，但是当管道抬升角度为50-10时，管道所受Von Mises应力和最大轴向应变变化幅度较小。
从图6中可以看出，管道悬空长度分别为5070，100 m，仅在管道抬升角度小于100时管道悬空长度的变化对管道生成的Von Mises应力和最大轴向应变影响较大，且当管道悬空长度为100m时，管道生成的Von Mises应力和最大轴向应变明显大于其他情况。随着管道抬升角度的升高，管道产生的Von Mises应力和最大轴向应变受管道悬空长度影响极小，几乎可以忽略不计。当管道角度在100-30时，管道所产生的Von Miss应力和应变变化剧增，管道失效风险增大，管道处于极易破坏状态。
3结论
1)在对X60管道所产生Von Mises应力和应变进行数值模拟，发现随着管道悬空长度的增加管道所受Von Mises应力和应变随之增加，其中当管道悬空长度在80-90m时，管道产生的Von Mises应力增加缓慢，但悬空长度超过90m后，管道所产生的Von Mises应力急剧增加。
2)当管道处于不同悬空长度下，管道所产生的Von Mises应力和应变随着管道内压的增加而增大。其中管道悬空长度为90m时，随着管道内压的增加，管道失效的风险增大。
3)对于不同抬升角度的管道，悬空长度的改变对仅对抬升角度小于100时有一定影响，当管道抬升角度大于100时，悬空长度变化对管道几乎没有影响。但整体上来看，随着管道抬升角度的增加，管道所受Von Mises应力和应变增加，抬升角度超过10°时，管道所受 Von Mises 应力和应变急剧增加，此时管道处于危险状态下，管道极易失效。
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