山體滑坡區(qū)域內(nèi)長輸埋地油氣管道強(qiáng)度研究.pdf

1、隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，世界各國對天然氣和石油等能源的需求量日益增加。埋地管道因?yàn)樵陂L距離輸送的效率和經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為該類介質(zhì)的重要輸送手段。長輸埋地管道跨越的地域范圍很廣，由于各地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，管道在服役過程中不可避免的會(huì)受到來自周邊環(huán)境的潛在威脅。近年來，隨著地質(zhì)災(zāi)害和極端天氣數(shù)量的增多，由于山體滑坡引起的管道失效事故不斷發(fā)生。現(xiàn)階段，學(xué)術(shù)界和工程界都在關(guān)注兩個(gè)問題:即如何準(zhǔn)確預(yù)測山

2、體滑坡作用下埋地管道的極限承載能力，以及判斷已發(fā)生偏移的管道是否依然能夠安全運(yùn)行。
　　為了解決以上兩個(gè)問題，本文在兩項(xiàng)國家質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)課題（項(xiàng)目編號:200910096-2和201210242）的資助下，對山體滑坡作用下埋地管道的強(qiáng)度失效模式開展深入研究，主要的研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)在考慮材料、幾何和接觸非線性的基礎(chǔ)上，建立了山體滑坡區(qū)域內(nèi)埋地管道發(fā)生偏移的全過程仿真模型。模型中的滑坡過程采用位移載荷控

3、制，施加位置選擇在距離管道不遠(yuǎn)的土體表面上;管道與土體之間采用有限滑移接觸屬性模擬兩者介面上的相互作用;管道力學(xué)性能采用真實(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述，并遵循Bridgman方法進(jìn)行修正以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　(2)基于彈塑性力學(xué)理論，運(yùn)用弧長法和非線性穩(wěn)定算法預(yù)測了山體滑坡作用下管道進(jìn)入塑性垮塌和應(yīng)變軟化階段的承載能力，獲得了不同偏移程度下埋地管道的力學(xué)響應(yīng)。文中分析了各類參數(shù)包括內(nèi)壓、徑厚比、滑坡區(qū)寬度、土體性能以及管材性能對

4、管道自由偏移能力的影響，指出管道進(jìn)入塑性垮塌階段時(shí)的最大主應(yīng)變只與管材和土體的性能有關(guān)，該應(yīng)變可以作為工程許用應(yīng)變的選取依據(jù)之一。
　　(3)基于彈塑性斷裂力學(xué)理論，運(yùn)用擴(kuò)展有限元技術(shù)，通過材料試驗(yàn)?zāi)M、無偏移直管爆破模擬和山體滑坡區(qū)域內(nèi)偏移管道的斷裂過程模擬三個(gè)層面，描述了不同載荷工況下管道材料上的裂紋從萌生、擴(kuò)展直至斷裂的整個(gè)過程。首先，通過網(wǎng)格敏感性分析得到了裂尖區(qū)域附近單元的臨界尺寸;接著，探討了初始損傷的最大主應(yīng)力和臨界

5、能量釋放率對管道上的裂紋特征和力學(xué)響應(yīng)帶來的影響，指出前者主要控制材料何時(shí)發(fā)生損傷，后者主要控制材料發(fā)生損傷后何時(shí)擴(kuò)展和最終斷裂;最后，通過對內(nèi)壓、徑厚比、滑坡區(qū)寬度、土體性能以及管材性能等關(guān)鍵參數(shù)的分析，得到了裂紋發(fā)生擴(kuò)展和管道最終斷裂時(shí)的最大主應(yīng)變?？紤]到該應(yīng)變同樣只與管材和土體的性能有關(guān)，故將其作為工程許用應(yīng)變的另一選取依據(jù)。
　　(4)提出了基于應(yīng)變判斷的山體滑坡區(qū)域內(nèi)埋地管道的強(qiáng)度失效準(zhǔn)則，并結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果和相關(guān)國外

6、標(biāo)準(zhǔn)，給出了適合于我國的埋地管道工程許用應(yīng)變的選取方法。分析時(shí)將管道分為無缺陷和含缺陷兩類:對于無缺陷管道，其許用應(yīng)變參考塑性垮塌時(shí)的應(yīng)變、最終斷裂時(shí)的應(yīng)變和ASME B31.8的極限應(yīng)變給出;對于含缺陷管道，本文給出了XFEM和API579兩種評價(jià)方法的對比結(jié)果。
　　(5)以近期我國某地區(qū)因山體滑坡引起的管道事故為案例背景，通過材料性能檢測、斷口分析測試和現(xiàn)場地質(zhì)勘測，驗(yàn)證本文中提出的有限元模型和工程可接受準(zhǔn)則的合理性，為我國