典型地质灾害下埋地管道的应力计算

地质灾害是导致埋地油气管道破坏失效的主要原因之一,特别是管道沿线的山体滑坡、地层沉降及地面塌陷等严重威胁着管道的安全运行。基于已有研究,介绍了几种分析管土耦合作用的常用模型,总结了地质灾害作用下埋地管道应力计算方法。采用实验模拟与数值模拟相结合的手段,开展了塌陷、沉降以及滑坡地质灾害下管土相互作用实验以及FLAC 3D数值模拟,分别得到了3种地质灾害下的管道应力分布情况,通过比较实验结果、数值模拟结果以及管道理论模型计算结果可得:采用有限差分软件FLAC 3D开展管土相互作用模拟是可行的;仅考虑管道、输送介质以及土体重力载荷得到的理论计算结果与实验及数值模拟的结果相差很大,需要考虑土体摩擦力以及黏聚力等参数的影响,对管道应力计算方法进行改进。     

基于CAESARⅡ的埋地热油管道应力计算

对于埋地管道,土壤和管道的相互作用是管道应力分析的重要组成部分,研究管道周围土壤的力学特性至关重要。基于CAESARⅡ应力软件建立了合理的埋地热油管道应力分析模型并进行数值计算,分析了操作温度与安装温度差值、管道埋深、土壤内摩擦角等参数对管道局部推力和位移的影响。研究表明:管道内外温差、埋深及土壤内摩擦角对埋地管道地上和地下部分的应力、位移、固定墩推力的大小和方向影响较大,设计时必须对土壤参数进行准确界定,以期达到理想效果。     

管土接触作用下管道沉陷复杂应力分析

场地沉陷是导致埋地管道破坏的重要原因之一.应用管道与土体接触作用的半无限屈服理论,建立了沉陷作用下管土相互作用模型,以土壤和管道自重为载荷,计算了沉陷区长度、壁厚、内压、管径、管土摩擦因数、管道埋深等复杂因素作用下的管道应力,分析了其对管道Mises应力的影响规律,进而评估管道的安全性.算例分析结果表明,该方法能够较好模拟管道的破坏过程,可为沉陷区域埋地管道数值模拟提供理论依据.（表3,图7,参10）     

基于接触单元的埋地弯头工作荷载下的强度分析

埋地弯头是长输管道常见的结构形式,易在外载作用下发生失效。基于非线性有限元方法,使用壳单元模拟管道,实体单元模拟土壤,接触单元模拟管土相互作用,建立了工作荷载作用下弯头受力分析的数值计算模型。对比计算了管径、壁厚、弯头曲率半径、弯头夹角、管土摩擦因数、土壤弹性模量不同特性参数下的管道应力,给出了管道峰值应力的变化规律:管径越大,弯头应力越大。结构上可以通过增加壁厚,增加弯头曲率半径与弯头夹角等方法减小弯头应力,而夯实弯头处的土壤也能够起到降低弯头应力的作用。     

埋地油气管道腐蚀失效研究进展及思考

随着油气管道服役时间的延长,管道面临的腐蚀失效问题愈加严峻。阐述了中国埋地油气管道腐蚀现状,总结了埋地管道常见的腐蚀失效类型,讨论了油气管道酸腐蚀、微生物腐蚀、应力腐蚀开裂（SCC）及氢损伤的作用机理,分析了温度、腐蚀性阴离子、阴极保护电位、磁场和交流电等环境因素对管道腐蚀的影响。针对当前埋地油气管道腐蚀失效研究尚不充分,机理、规律尚未完全明确的现状进行讨论,以期为未来油气管道腐蚀失效的研究方向选择提供参考：在点蚀穿孔方面,未来应结合多相流模型和弱酸腐蚀机理建立弱酸作用下的腐蚀预测模型,以准确评估油气管道腐蚀程度,采用扫描振动电极技术等手段深入开展微观层面的腐蚀机理研究;在SCC方面,未来可将模拟计算方法与更高分辨率的显微原位观测技术相结合来解析管道应力腐蚀本质。（图5,参87）     

横向管道滑坡有限元模型的建立及验证

油气管道沿线的地质滑坡会对管道安全运行造成极大威胁,管道一旦发生过量位移或受到过量应力,将产生屈曲变形甚至断裂。采用人工堆土的方法,建立了实体滑坡模型,整个模型平面形态采用圈椅形,将埋地管道当作埋地长梁,主要监测滑坡体自身表面变形、管道变形与应力、管土之间的相互作用力以及滑坡体内部力的分布形式。依据实体模型试验结果,结合弹性地基梁理论构建了横向管道滑坡的有限元模型,结果表明:在横向管道滑坡中,管道应力较大处位于滑坡宽度中央和滑坡两侧边界处。将有限元分析结果与试验监测结果进行对比,从而验证了所建模型的有效性。该模型可以用来进一步探讨滑坡对管道的力学作用。     

温度和不均匀沉降耦合作用下埋地管道力学性能

埋地油气管道一旦发生泄漏、爆炸等事故,其危害巨大,因此研究温度和不均匀沉降耦合作用下埋地管道的力学性能,开展安全风险评价十分重要。建立管道-地层整体模型,采用有限元分析软件ABAQUS进行非线性求解。通过间接耦合法实现温度作用和隧道开挖作用的耦合,分别模拟了不同管径、壁厚、埋深条件下的埋地管道应力应变状态,得出在不同影响因素下管道Mises应力和纵向位移的变化规律。分析结果表明:在温度变化和不均匀沉降耦合作用下,管径和壁厚对埋地管道应力应变状态有较大影响,管径越大,管道Mises应力越大,纵向位移越小,壁厚越大,管道Mises应力越大,纵向位移越大;当管道处在隧道上方时,一定埋深范围内,埋深对管道的应力应变状态影响较小,管道Mises应力和纵向位移随着埋深的增加并无明显变化;管道接口与直管连接处出现应力集中现象,实际运行过程中应注重该部位的检测和维护。     

埋地油气管道弯头的强度计算

通过理论分析导出了埋地弯头附加弯矩的新计算公式,其推导依据是:“弹性抗弯铰”假设,不考虑弯头受到的土壤抗力,但考虑弯头承受的内压;土壤对直管道纵向位移的抗力与纵向位移的关系为双线性,即考虑弹性工作段和极限平衡段(塑性工作段);土壤对直管道横向位移的抗力满足Winkler假定;将弯头两端的直管看作半无限长的梁或杆;同时考虑温差和内压对管道位移的影响。将新公式的计算结果与有关油气管道设计规范推荐公式的计算结果进行了比较。讨论了弯头的强度验算方法和管土相互作用参数的确定方法。推荐了实用的埋地弯头强度设计计算公式。     

冻土区埋地油气管道管沟融陷机理

为了治理冻土区埋地油气管道管沟融陷工程病害,通过对管道病害现场调查,结合现场地质勘探、含水量试验测试及管周土体温度监测,分析了融陷病害的发生机理,并结合管沟融陷形成因素,提出了相应的防治措施。结果表明:冻土区埋地油气管道管沟融陷病害的发生与地层土质、土体含冰量、冻土类型、管道热扰动及施工方式等因素有关;冻土区埋地油气管道的敷设应选择合理的施工季节,综合分析冻土环境因素,确定合理的管道埋设深度,设置管道隔热保温措施,加强管道运行状态监测和科学管理,从而保证管道安全运行。研究成果可为冻土区埋地油气管道的设计、施工及安全运营提供借鉴。     

逆断层作用下X80埋地管道的非线性屈曲分析北大核心

埋地高强钢管道是油气长距离输送的主要方式,而地震造成的断层位移错动严重威胁管道的安全运行。建立了埋地X80高强钢管道在逆断层作用下的有限元模型,采用弯管与管单元模拟管道,非线性土弹簧模拟管土相互作用。考虑了管材、管土、几何大变形造成的非线性,模型采用非线性稳定算法,保证了求解的收敛性。依据西气东输二线工程参数,详细分析了逆断层作用下管道的两种屈曲失效形式,即梁式整体屈曲失效与壳式局部失稳失效。同时,讨论了断层倾角、管道壁厚及埋深对管道屈曲失效形式的影响。研究成果对穿越断层管道的设计与安全评价有一定的指导意义。     

国内外油气管道设计标准的比较

俄罗斯标准《干线管道设计规范/МАГИСТРАЛЬНЫЕТРУБОПРО-ВОДЫ》在选线原则、埋地敷设要求、管道穿越和架空敷设等方面拥有较先进的理念和较细致的规定,针对多种具体情况直接给出了具有较强指导性和操作性的施工方案和设计参数,如管道埋深、构筑施工带、冻土区设计资料、补偿纵向位移等。将该标准与国内强制执行的工程设计标准GB50251和GB50253进行全面对比和分析,识别出前者的先进之处并予以借鉴,对提高国内油气管道的设计和完整性管理水平、降低运营维护成本具有重大意义。     

长输管道失效故障树分析

长输管道在使用过程中受到杂质、应力、腐蚀介质等的作用,致使部分管段早期损坏,严重影响了管道的使用寿命。综合分析了引起管道发生失效的各个因素,建立了以管道失效为顶事件的原油管道失效故障树。通过对故障树的分析,求出故障树的各阶最小割集,并确定了长输管道的主要失效形式,提出了提高管道可靠性的措施。     

短路故障下输电线路接地网对埋地管道的影响

为了研究输电线路故障运行时,接地点短路电流对管道的电磁干扰程度,利用防雷接地分析软件CDEGS建立了输电线路杆塔接地网与埋地管道模型,计算分析了不同短路电流幅值、土壤电阻率、管道间距下管道冲击电压的变化规律.提出了两种新型管道防护措施:①通过改变#形和方框射线形接地网形状参数,计算分析了管道冲击电压的变化规律,其表明接...     

热油管道与土壤环境间不稳定传热的耦合研究

通过对因输量、加热温度等因素引起的埋地热油管道非稳态运行过程的研究,提出了以管外壁与土壤交界处的热流量作为耦合参数的数学模型,并给出了热流量的简单有效的处理方法.以大量的算例为基础,对实际运行数据和计算结果进行了对比分析,验证了该模型及方法的合理性,其处理方法为埋地热油管道非稳态问题的研究提供了一种新的思路.     

有/无固定墩跨越管道的内力和变形比较

考虑几何非线性,导出了有固定墩跨越管道的内力和挠度计算公式,并从中推荐了简单实用的计算式,通过比较有／无固定墩跨越管道的内力和挠度,得出结论：固定墩减小了管道的挠度、轴向拉力及当量轴向拉力,增大了轴向压力及应量轴向压力;当当量轴向力为压力／拉力时,无固定墩跨越管道的最大弯矩大于／小于有固定墩时的值;有固定墩跨越的管道嵌固端的弯矩与跨中的弯矩相比,绝对值大,无固定墩跨越管道的两者大小关系主要取决于     

埋地管道通过活动断层区的研究

活动断层所产生的急剧错动性的地面运动,会导致如断层位移、滑坡和地陷等,对埋地管道系统造成严重的影响。研究表明,地震已严重破坏了埋地的油、气、水和污水管道,其后果表现为管道的断裂与严重扭曲。由于地震活动的危害,国内外目前对穿过活动断层区埋地管道的设计均十分重视。分别从埋地管道震害原因、埋地管道通过平推断层的当前的研究以及通过逆冲断层区的研究现状等方面,综述了埋地管道通过活动断层区的研究情况,提出了埋地管道通过逆冲断层区存在的主要问题。