埋地管道在不同沖擊載荷作用下的力學(xué)應(yīng)變分析

王泰人 馬文倩 劉鵬飛

原油埋地管道受力不僅受制于土壤壓力，還有油田地面上運(yùn)油車輛行駛過程中的交通振動(dòng)載荷，自然災(zāi)害如地震、泥石流等作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)載荷及第三方施工過程中的振動(dòng)載荷。我國(guó)埋地管道運(yùn)行環(huán)境惡劣，主要與我國(guó)復(fù)雜地貌、原油高壓輸送及人為違法建造等密切相關(guān)?！队蜌夤艿赖刭|(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)》一書總結(jié)了埋地管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀及趨勢(shì)，介紹了埋地管道地質(zhì)災(zāi)害作用下的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)、分析了不同類型沖擊振動(dòng)載荷作用下埋地管道的受力應(yīng)變規(guī)律，針對(duì)性地提出應(yīng)對(duì)管理評(píng)價(jià)方式，并以蘭成渝管道為例論述了實(shí)際防治對(duì)策。本書具較強(qiáng)理論及實(shí)用性，適用廣泛，可為沖擊載荷作用下埋地長(zhǎng)輸管道的力學(xué)應(yīng)變規(guī)律研究提供極好的理論及技術(shù)參考。

敷設(shè)在軟土地基中的油氣管道在上覆土層及移動(dòng)車輛載荷作用下易發(fā)生縱向彎曲或變形，交通載荷是引起軟土地基沉降的主要原因之一。軟土地基承載力較低且易變形沉降，一旦地基下沉超過上限則會(huì)引起下部管道嚴(yán)重變形損壞發(fā)生滲漏或爆管等事故。埋地管道受軟基作用主要發(fā)生在密封承接插口處、焊接口、伸縮接頭、閥門法蘭及管基交叉處等。交通荷載模型中一般為大小位置不隨時(shí)間改變的恒定載荷或周期變化的簡(jiǎn)諧載荷。目前世界各國(guó)均將其定義為靜止的集中電源或線源，而真正的載荷為一種隨機(jī)載荷?，F(xiàn)今在建立模型計(jì)算過程中可將不同情況下交通載荷分別簡(jiǎn)化為長(zhǎng)期均勻布載、移動(dòng)恒載及簡(jiǎn)諧載荷3種。

地層中傳播的地震波及永久性土地變性二者作用引發(fā)的地震，往往對(duì)原油埋地管道造成災(zāi)難性破壞。地震的發(fā)生可能導(dǎo)致埋地管道附近電力通信中斷、地表斷裂或影響儀表儀器工作等?；履嗍髌茐淖饔门c地震大體類似，其次泥石流會(huì)擠壓、拉伸或扭曲埋地管道。在地震泥石流等影響下，原油管道與周圍土壤介質(zhì)相互作用產(chǎn)生地震應(yīng)力，主要為土壤對(duì)管道的橫向推力及軸向摩擦力。橫向位移較小時(shí)，視為理想線彈性關(guān)系，較大時(shí)則視為理想塑性性質(zhì);分析軸向摩擦力時(shí)需根據(jù)不同部位進(jìn)行強(qiáng)度校核。原油埋地管道對(duì)地震波影響有兩種分析法：一是忽略管道剛度，認(rèn)為管道軸向位移與周圍土體位移一致;另一種最常用，認(rèn)為周圍土壤會(huì)與管道發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。油田施工建設(shè)過程中振動(dòng)機(jī)組產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊載荷也對(duì)原油埋地管道產(chǎn)生一定影響。此外，油田周邊違法施工挖土作業(yè)會(huì)破壞原油管道，當(dāng)前油田區(qū)域施工過程中的振動(dòng)機(jī)組未給出具體規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。原油管道應(yīng)力理論模型種類較多，不同模型間誤差較大，與實(shí)際結(jié)果存在一定差距，原因在于埋地管道在沖擊振動(dòng)載荷作用下動(dòng)載荷與靜載荷之間存在很大不同，而模型中大多主要集中在靜載荷分析。油田施工中振動(dòng)機(jī)組的振動(dòng)通過土壤以振動(dòng)波形式傳播至管道，振動(dòng)機(jī)組主要具沖擊性點(diǎn)源、瞬時(shí)振動(dòng)、低頻振動(dòng)、間隔小且周期密集等特點(diǎn)。計(jì)算模型中往往假設(shè)振動(dòng)機(jī)組為剛體，忽略與土壤的摩擦作用，土體位移始終位于彈性范圍，二者碰撞過程中僅考慮第一次碰撞。施工中振動(dòng)機(jī)組對(duì)埋地管道破壞不斷嚴(yán)重化，當(dāng)前研究主要為有限元分析軟件模擬計(jì)算油田施工對(duì)原油埋地管道破壞的影響。

上述內(nèi)容在《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)》一書中詳細(xì)論述，對(duì)不同類型沖擊振動(dòng)載荷作用下埋地管道受力應(yīng)變規(guī)律探究是油氣輸送領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容之一。我國(guó)在今后原油埋地管道力學(xué)應(yīng)變分析過程中，不應(yīng)局限于運(yùn)油車輛、地震、泥石流等沖擊載荷，應(yīng)加大油田區(qū)域人為違法施工中產(chǎn)生的振動(dòng)載荷及油田作業(yè)對(duì)埋地管道破壞方面的深入研究。同時(shí)做好原油埋地管道防護(hù)及地基處理措施，應(yīng)對(duì)不同類型沖擊載荷下原油管道可能發(fā)生的力學(xué)應(yīng)變損壞。如針對(duì)油田地震多發(fā)區(qū)著重提高埋地管道的抗震性能設(shè)計(jì)，及時(shí)進(jìn)行輸油管道沿線調(diào)查，嚴(yán)格管線材料選取，地基夯實(shí)尤其是軟土地域，穿越泥石流地帶時(shí)盡量選取小管徑高壁厚的管道，并增大管道埋深;制定嚴(yán)格的違法施工建設(shè)對(duì)原油管道的破壞規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，加大油田區(qū)域違法施工監(jiān)督，宣傳埋地管道附近施工不當(dāng)可能引發(fā)的嚴(yán)重后果，制定相關(guān)法律懲罰措施。