动力管道的应力分析及管壁厚计算

王学龙

[摘  要]滑坡是威胁油气长输管道完整性的主要地质灾害之一。滑坡导致的管道失效事故往往会带来巨大的经济损失和恶劣的社会影响。特别是在中国西部地区，地质条件恶劣复杂，因此研究滑坡地段埋地管道的力学特性极其重要。本文重点对滑坡段管道应力分析的基本模型及原理进行阐述。

中图分类号：TE832 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0078-01

1 滑坡段管道模型

我国幅原辽阔，山地占整个疆土面积的33%，高原占26%，山区地质、地形复杂。由于山区特有的气候和地质特点，经常会发生滑坡和泥石流等现象。埋地管道就常常穿越有潜在滑动特性的山体段。

根据管道与滑坡流动方向的不同，其受力模型可以分为两类：

（1）横向滑坡模型（如上图左侧）：在该模型条件下，管道走向与滑坡方向垂直，管道受滑坡土体横向的作用力而发生弯曲位移变形。

（2）纵向滑坡模型（如上图右侧）：在该模型条件下，管道走向与滑坡流动方向呈平行状态，整个管道受到土体轴向的作用[1-3]。

除此之外，滑坡作用段管道由于受两侧未扰动管道的牵拉作用，在与滑坡土体一同移动到一定程度后就不在发生位移了，而土壤仍可能继续越过管道向下滑动，使管道下方出现悬空段。

为了更加清晰的界定模型，认为受滑坡力作用的管道在手里过程中均没有出现露管或悬空现象，其始终受到土壤的轴向摩擦、横向约束以及竖向承载。悬空管道作为滑坡作用后管道的特殊承力形式，作为单独的模型进行讨论。因此滑坡沉降段管道的分析模型实际上需要讨论三种相关的子模型。

2 基本有限元模型

2.1 管道模型

滑坡段管道无论是横向穿越、纵向穿越还是悬空，均处于受拉伸状态，管道的常见变形为挠曲。因此采用梁单元模型进行模拟是非常适用的。

3D梁单元有6个方向的自由度，具有拉压、扭转和弯曲的能力。长期的实践和工程应用证明，对于管道直径与壁厚之比小于100的管道而言，采用梁单元分析的精度已经足够。

对于梁单元而言，弯曲是其主要的变形模式。梁弯曲段的挠度曲线平衡微分方程为：

（1）

式中：y——梁单元的挠度;

x——梁单元的长度;

M（x）——单位长度上的弯矩;

E——梁单元材料的弹性模量;

Z——梁单元截面的抗弯截面系数。

2.2 网格划分

由于梁模型默认将重量均分给两端的两个节点，因此在建模过程中需要考虑重量承载的合理性问题。若在建模中管段长度过长，将导致其两端重量过大，使得应力校核无法通过，这就是网格划分不准确所导致的误校核。

对于受滑坡面推力的管道而言，由于滑坡面长度一般不超过100m，因此为了更好的模拟管道的挠曲，应劲量多划分管道节点。

2.3 边界条件

由于滑坡载荷体量很大，管道会产生大位移大变形，其影响的长度范围也较宽。在断层模型中，边界条件采用了长达300 m的水平管道，在此仍希望采用加长的管道来模拟现实条件下的管道自身约束，故沿用该管道边界条件。若计算后检验边界处的管道位移仍非常大，则应考虑进一步增长边界管道。

针对横向滑坡，考虑到横向滑坡载荷条件下的管道变形对称，因此可以从滑坡中心点位置断开，只建立单侧管道以减少模型的节点数。

3 滑坡载荷计算

（1）横向滑坡体

假设滑坡面与水平面的交角为θ，滑坡体对管道的地滑力为q1，可以得到滑坡作用力在管道横向（Z方向）和纵向（Y方向）所产生的均布载荷为：

（2）

式中：qy，qz——滑坡作用力在管道横向（Z方向）和纵向（Y方向）所产生的均布载荷，N/m;

q1——滑坡体对管道的地滑力，N/m。

（2）纵向滑坡体

假设滑坡面与水平面的交角为，滑坡体对管道的地滑力为q2，可以得到滑坡作用力在管道轴向（X方向）和纵向（Y方向）所产生的均布载荷为：

（3）

式中：qx，qy——滑坡作用力在管道轴向（X方向）和纵向（Y方向）所产生的均布载荷，N/m;

q1——滑坡体对管道的地滑力，N/m。

参考文献

[1] 梁政.滑坡地区管线应力和位移的分析[J]. 天然气工业， 1991， 11（3）： 55-59.

[2] 邓道明，周新海.横向滑坡过程中管道的内力和变形计算[J]. 油气储运，1998，17（7）：18-22.

[3] 谢强，王雄，张建华，等.不同滑坡形式下埋地管的纵向受力分析[J]. 地下空间与工程学报，2012，8（3）： 505-510.