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輸油懸空管道洪水沖刷作用下的安全評價

文檔作者：王海蘭馬廷霞徐洪敏趙瀟于家付文檔來源： 1．西南石油大學機電工程學院 2．中國石油西南管道公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月30日
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石 油機械
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價
王海蘭 馬廷霞 徐洪敏 趙 瀟 于家付
(1．西南石油大學機電工程學院2．中國石油西南管道公司)
摘要：洪水沖刷是影響輸油懸空管道穩(wěn)定性的重要災害之一。對洪水沖刷輸油懸空管道進行
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分析模型，應用基于應變
準則的失效判據(jù)關系式來判斷管道的安全狀態(tài)，并用有限元軟件ABAQUS對X60輸油管道在一定
洪水流速和一定懸空長度2種工況下的安全狀態(tài)進行模擬與分析。分析結果表明，最大應力、應
變及撓度與懸空長度成正相關關系；一定懸空長度下，最大應力、應變及撓度與洪水流速成正相
關關系，且當流速大于3 m／s時，管道的振動頻率升高，加大管道失效可能性。水沖懸空管道的
危險點位于埋設段與懸空段交匯處的水流入側。
關鍵詞：洪水沖刷；輸油懸空管道；應變準則；安全評價；有限元；模擬分析
中圖分類號：TE973 文獻標識碼：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
長輸管道通常要穿越數(shù)千米的距離，尤其是中
國西部管道通常在高壓、惡劣的環(huán)境中運行，對管
道的壽命預測和安全評估帶來嚴峻的挑戰(zhàn) 。研
究表明，在自然地質(zhì)災害(如開采沉陷、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，會導致輸油管道出現(xiàn)局部
屈曲、皺褶甚至大跨度的懸空 』，嚴重影響管道
的安全運營。我國是一個地理環(huán)境多變的國家，湖
泊、河流眾多，洪水災害較為頻繁。管道在穿越水
文活動地域時，若河床劇烈變化或遇到洪水災害，
容易造成管道的裸露和漂浮，尤其對采用傳統(tǒng)開挖
基金項目：中國石油天然氣股份有限公司西部管道公司項目“油氣管道懸空安全評價技術研究”(XG11—2012—012)。

石 油機械 20t5年第43卷第1期
力的判斷標準，其設計是以管道的最小屈服強度為
極限載荷，以管壁應力為限制的設計標準¨ 。但
隨著研究的深入和管材性能的提高，越來越多的研
究表明這種判別標準過于保守。在大規(guī)模地表移動
條件下，管道要適應地面曲率的變化，這時，管道
的應變應由地表曲率決定，并非由計算應力獲得，
因此采用基于應變設計更為合理 。
基于應變的設計準則建立在以極限狀態(tài)設計和
位移控制加載思想的基礎上 ，對以位移控制
載荷為主要載荷的管段，在保證管道安全運營的條
件下，允許管道的應變達到甚至超過其屈服應變，
此時管道雖然發(fā)生了一定的塑性變形，但仍能滿足
生產(chǎn)要求。
2．1 拉伸應變
管體存在缺陷時，若拉伸應變達到或超過極限
應變，可使管道斷裂。管道在主載荷(與管道變
形無關但能影響靜態(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
應變應滿足式(7) 15]：
Ⅱ ≤ 咖 (7)
式中 ——環(huán)向或縱向因子化拉伸應變，無量
綱，％ ；
— — 拉伸應變抗力系數(shù)，無量綱，可取
0．7；
— — 管道的極限拉應變，無量綱，％ ，應
該根據(jù)試驗結果來確定，同時還應考慮管材的焊
縫、缺陷以及熱影響區(qū)等因素，當缺乏信息時可取
0．75％ 。
2．2 壓縮應變
當管道嚴重彎曲或承受壓縮載荷時，管道截面
會受到壓應力和壓應變，當管壁最大壓應變達到或
超過臨界應變時，管壁將會出現(xiàn)局部屈曲或褶皺。
為了防止壓縮變形引起的管道失效，對壓縮應變提
出了以下要求¨ ：
f≤ (b 8 c (8)
式中 —— 因子化的縱向或環(huán)向壓縮應變，無
量綱，％ ；
— — 壓縮應變阻力因子，無量綱，可取
0．8；
s ——管道的縱向或環(huán)向壓縮極限應變，
無量綱。
壓縮應變通常由試驗確定，同時應考慮初始缺
陷、內(nèi)外壓、殘余應力及材料本構關系等因素的影
響，當缺乏具體信息時可按式(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
最大設計壓力，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，一旦拉應變達到其極限應變，管道將可
能被拉斷。因此，采用拉伸應變評定洪水沖擊管道
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管道的變形及
受力特征的影響，以經(jīng)過中國西部塔里木輸油氣分
公司的X60輸油管道為例，采用大型有限元計算
軟件ABAQUS對洪水沖擊作用下的懸空管道進行
仿真模擬。
3．1 基本假設
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 ：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，無夾角；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)關于管道軸向對稱分布。
3．2 計算模型
假定土體為空間半無限體，管道軸向為無限
體?？紤]到優(yōu)化計算量問題，將管道軸線設于寬度
截面正中，根據(jù)對稱性，取 模型計算，這樣可以
提高計算速度，同時又不影響仿真的精確度。設定
模型時將土體長度設定為懸空管道長度的 。有限
元模型的幾何特征如圖3所示。在計算過程中，設
土體的下表面全約束，側面四表面只允許上、下移

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