挖掘載荷作用下埋地輸氣管道損傷過程數(shù)值模擬

龐自嘯，阿斯汗，孫 策，王衛(wèi)強(qiáng)

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

挖掘載荷作用下埋地輸氣管道損傷過程數(shù)值模擬

龐自嘯，阿斯汗，孫 策，王衛(wèi)強(qiáng)

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

挖掘載荷損傷已成為城市埋地燃?xì)夤艿罁p傷的常見形式。挖掘機(jī)破壞管道過程就是齒斗直接作用在管道上引起穿孔或者裂縫的過程。利用ANSYS Workbench有限元商業(yè)軟件，基于非線性分析理論和動力學(xué)分析理論，在半無限土介質(zhì)中，通過對動力參數(shù)和接觸參數(shù)的合理設(shè)置，控制挖掘機(jī)齒斗的位移隨時間變化，對埋地輸氣管道損傷過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明埋地輸氣管道承受挖掘荷載作用的過程是一個瞬態(tài)受力過程，挖掘荷載作用位置點是輸氣管道最易發(fā)生破壞的地方。

埋地輸氣管道；損傷過程；挖掘載荷；數(shù)值模擬

隨著現(xiàn)代社會的不斷進(jìn)步和發(fā)展，城市建設(shè)不斷增多，各種施工越來越頻繁，如：修筑地下鐵路、地下商場以及地下排水系統(tǒng)等，這些施工過程都需要進(jìn)行挖掘作業(yè)，導(dǎo)致挖掘載荷損傷已成為城市埋地燃?xì)夤艿罁p傷的常見形式。

根據(jù)對國內(nèi)外大量的管道事故統(tǒng)計資料分析，影響管道安全的因素在形成的管道事故中所占的比例不同，其中腐蝕、第三方破壞是最主要的因素[1]。例如，2012年4月23日上午，新疆巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市人民東路一處地下停車場施工時不慎將一條地埋的燃?xì)夤艿琅俾瑢?dǎo)致燃?xì)庑孤?，事故造成附?萬多戶居民和餐飲商戶停止供氣。2013年9月17日晚，322國道廣西桂林市靈川段，施工隊用挖掘機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)，在挖掘機(jī)操作過程中，因為司機(jī)操作不小心，將天然氣管道挖壞，所幸消防人員處理及時，才避免了重大事故的發(fā)生。

挖掘荷載作用在管道上所造成的后果，一是直接導(dǎo)致管道破裂，引起介質(zhì)泄露；二是不同程度地?fù)p壞管道防腐層或給管線造成刮痕、壓坑等缺陷，為管道腐蝕或應(yīng)力集中開裂埋下隱患[2]。由于輸氣管道內(nèi)介質(zhì)具有易燃易爆的特性，一旦發(fā)生泄漏事故，造成的損失將難以預(yù)料，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸等危害，威脅到人民的生命財產(chǎn)安全。因此，本章針對挖掘荷載作用下埋地輸氣管道損傷過程進(jìn)行的研究很具有現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外對挖掘、強(qiáng)夯等沖擊作用的問題，研究土體的動力特性的文獻(xiàn)較多[3,4]，在研究埋地輸氣管道受力特性及損傷過程方面研究較少，關(guān)于埋地輸氣管道在地質(zhì)災(zāi)害如落石、強(qiáng)夯、爆炸等方面的研究己經(jīng)取得一些成果[5-7]，而關(guān)于挖掘作用下埋地輸氣管道動力響應(yīng)的文獻(xiàn)極少。隨著應(yīng)力計算和變形分析等方面理論的進(jìn)一步完善，地下管道破壞分析在軟件開發(fā)方面也已取得長足發(fā)展，如LS-DYDA、ABAQUS、ANSYS Workbench 和ADINA等軟件的開發(fā)完善，使該領(lǐng)域的研究得以快速發(fā)展，從而使基于有限元理論的研究得到更為廣泛的應(yīng)用。

本文主要針對外荷載作用下土與結(jié)構(gòu)相互作用方面以及管道受力方面等內(nèi)容進(jìn)行研究"本文利用有限元軟件ANSYS Workbench ，基于非線性動力學(xué)和動態(tài)算法，建立了動力接觸的挖掘機(jī)齒斗-輸氣管道動力相互作用模型。采用數(shù)值模擬方法對研究挖掘載荷作用下埋地輸氣管道損傷過程，便于將地質(zhì)背景、場地條件和管道破壞結(jié)合起來分析其破壞機(jī)理，為其在工程應(yīng)用方面打下基礎(chǔ)。

1 材料模型

1.1 土體材料參數(shù)

本模型土體選用能較好反映土體的彈塑性狀態(tài)的Drucker-Prager 模型。本模型服從廣義Von-Mises屈服準(zhǔn)則(主應(yīng)力空間為一圓錐面，π平面為一圓面)，其表達(dá)式為[8]：（偏應(yīng)力張量第二不變量）。

k、α為與φ和c有關(guān)的常數(shù)，

式中：

φ —摩擦角；

c —初始屈服粘聚力。

土體具體參數(shù)如表1。

表1 土體參數(shù)Table 1 Parameters of soil

1.2 管道材料參數(shù)

本文采用輸氣管道中常用的L245MB管線鋼分析挖掘荷載作用下埋地輸氣管道損傷過程。這里采用多線形硬化塑性模型，該模型遵從Von-Mises 屈服準(zhǔn)則[8]。查文獻(xiàn)[9]——《機(jī)械設(shè)計手冊》可知管材彈性模量等參數(shù)，如表2所示。

表2 L245MB埋地輸氣管道參數(shù)Table 2 Parameters of L245MB buried gas pipeline

1.3 挖掘載荷參數(shù)

挖掘機(jī)鏟斗主要也是由鋼材構(gòu)成，本文根據(jù)所搜集到的資料，對挖掘參數(shù)進(jìn)行設(shè)置如表3。

表3 挖掘載荷參數(shù)Table 3 Parameters of excavating load

2 計算模型

2.1 幾何模型

挖掘荷載作用下埋地輸氣管道的動力響應(yīng)過程可以抽象為半無限體在沖擊荷載下作用的問題。挖掘機(jī)以一定的挖掘力和挖掘半徑來進(jìn)行挖掘。土體是半無限空間體，計算時只能選取一定的范圍。幾何模型如圖1和2所示。其中，Y為水平方向，Z為垂直方向，X方向與管道方向一致。本節(jié)主要分析挖掘載荷直接作用在埋地城市燃?xì)夤艿郎系那闆r，分別為h=1.7m，挖掘半徑為1 m，有限元模型土體為8 m，厚度為4 m，如圖1所示。

圖2 埋地輸氣管道三維模型埋地輸氣管道三維模型Fig.2 Three dimensional model of buried gas pipeline

圖1 圖埋地輸氣管道平面模型Fig.1 Buried gas pipeline plane model

2.2 單元類型的選取、數(shù)目及網(wǎng)格劃分

埋地輸氣管道、埋土和挖掘機(jī)齒斗均采用ANSYS Workbench 模型庫中單元類型，單元數(shù)目如表4。

表4 埋地輸氣管道模型單元類型和單元數(shù)目表Table 4 Buried gas pipeline model element type and unit number

2.3 有限元模型的建立

挖掘荷載作用下埋地輸氣管道的模型用如下方法建立：首先是選定土體和管道的材料模型。利用workbench建立埋地輸氣管道在挖掘荷載作用下的動力響應(yīng)模型，采用合理的邊界條件。由于土體是取較大區(qū)域，在模擬時為了減小最終誤差，有限元分析計算時，劃分網(wǎng)格時要對單元格進(jìn)行加密，但會以增加計算機(jī)計算量為代價，因此本文在劃分單元時為了計算快捷，通過試算，在保證有足夠精度的情況下盡量減少單元的數(shù)目。對土體劃分時，在土與管道相接觸以及齒斗與管道接觸重點位置，加密網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 挖掘載荷作用下輸氣管道有限元模型Fig.3 Gas pipeline finite element model under excavating load

3 計算結(jié)果分析

本節(jié)主要分析挖掘載荷直接作用在埋地城市燃?xì)夤艿郎系那闆r，參數(shù)取值如2.1節(jié)所述。在實際施工過程中，大多數(shù)情況下都是單齒作用，因此本節(jié)選取單齒作用在埋地城市燃?xì)夤艿郎系哪Ｐ瓦M(jìn)行計算分析。圖4為挖掘荷載作用下埋地輸氣管道損傷過程。

在挖掘荷載作用下，輸氣管道應(yīng)力圖如圖5所示。

圖4 挖掘荷載作用下輸氣管道損傷過程Fig.4 Damage process of gas pipeline under mining load

圖5 挖掘載荷作用下輸氣管道應(yīng)力時程圖Fig.5 Gas pipeline stress diagram along time under excavating load

從圖5可以看出，當(dāng)挖掘載荷作用在埋地輸氣管道上時，輸氣管道所受應(yīng)力從0 s時刻后開始變化，在3e-3 s時達(dá)到其峰值后開始回落，在3.25e-3 s 之后開始區(qū)域平穩(wěn)，管道應(yīng)力波動持續(xù)與時間為2.5e-3 s，這充分說明了埋地輸氣管道在挖掘載荷作用下的管道損傷是個瞬態(tài)受力過程，整個過程發(fā)生的很快。另外，圖中還充分說明，挖掘載荷對管道的沖擊作用僅限于挖掘荷載附近單元，當(dāng)遠(yuǎn)離挖掘載荷作用范圍時，其有效應(yīng)力變化微小，可忽略不計。而輸氣管道橫截面的應(yīng)力狀況也比較復(fù)雜，既有拉應(yīng)力，也有壓應(yīng)力，圖為挖掘載荷作用下橫截面的有效應(yīng)力（von-Mises應(yīng)力）。在載荷作用點單元位置應(yīng)力最大，在3e-3 s時到達(dá)應(yīng)力最大值527.23 MPa，管道達(dá)到屈服。由于輸氣管道管壁較薄，挖掘機(jī)齒斗在作用點處使輸氣管道發(fā)生凹陷進(jìn)而產(chǎn)生穿孔。

4 結(jié) 論

本章在考慮了材料的本構(gòu)關(guān)系，接觸和合理的邊界條件后，建立了挖掘荷載直接作用在埋地輸氣管道上的有限元模型。

通過模擬挖掘機(jī)單齒作用在埋地輸氣管道上管道損傷過程，得出如下結(jié)論：

（1）挖掘機(jī)直接作用在埋地輸氣管道上時，在載荷作用位置單元處，有效應(yīng)力達(dá)到最大值，隨距離荷載作用位置越遠(yuǎn)，有效應(yīng)力峰值越小，管道受挖掘機(jī)損傷過程是一個瞬態(tài)過程，作用時間短，發(fā)生頻率快。

（2）挖掘荷載作用需要一定的時間，埋地輸氣管道各單元的動力響應(yīng)隨挖掘荷載的傳遞而滯后。挖掘荷載作用位置點的有效應(yīng)力峰值是最大的，是荷載作用下埋地輸氣管道最先達(dá)到破壞的點。應(yīng)該把有效應(yīng)力作為挖掘荷載作用下埋地輸氣管道破壞的優(yōu)先準(zhǔn)則。

［1］ 呂宏慶，李均峰.管道第三方破壞的原因及預(yù)防措施[J].天然氣工業(yè)，2005，25(12)：118-120.

［2］ 宋志強(qiáng)，李著信，傅在善.埋地油氣管道失效分析及風(fēng)險評估[EB/OL].中國儲運(yùn)網(wǎng)Http:// www. chinachuyun.com.2010(4).

［3］ 譚凡教，陳洪泳.受沖擊荷載作用土體變形的有限元研究[J].巖土力學(xué)，2004，25(12)：2013-2016.

［4］ 蔣鵬，李榮強(qiáng)，孔德坊.強(qiáng)夯大變形沖擊碰撞數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報，2000，22(2)： 222-226.

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［7］ 姚安林，趙師平,等.地下爆炸對埋地輸氣管道沖擊響應(yīng)的數(shù)值分析[J].西南石油大學(xué)學(xué)報，2009，31(4)：170-172.

［8］ 趙師平，曾祥國,等.第三方荷載作用下埋地輸氣管道動力響應(yīng)的數(shù)值模擬[J].四川建筑科學(xué)研究，2009，35(l)：134-139.

［9］ 成大先，等. 機(jī)械設(shè)計手冊[S]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Numerical Simulation of Damage Process of buried gas Pipeline Under Excavating Load

PANG Zi-xiao，A Si-han，SUN Ce, WANG Wei-qiang
（Department of Petroleum and Nature Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Excavating load damage has become common form of city buried gas pipeline damages. Excavator destruction pipeline is the process of tooth bucket act on the pipe to cause perforation or crack of the pipe. Based on ANSYS Workbench with the basic theory of nonlinear dynamic mechanics and dynamic calculation method, in the semi infinite soil medium, by controlling the displacement of excavator bucket teeth over time, the damage process of buried gas pipeline was gained by the numerical simulation analysis. The results show that it is a transient process that buried gas pipeline bears the excavating load. The most likely place of damage on gas pipeline is the location bearing digging force directly.

Buried gas pipeline; Damage process; Excavating load; Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2015）01-0209-03

2014-04-20

龐自嘯（1986-），男，河南濮陽人，研究方向：三維輸油管道研究。E-mail：chuyunpzx@163.com。