挖掘荷載沖擊下輸氣管道動(dòng)力響應(yīng)分析

蘇暢 竺柏康

(浙江海洋大學(xué) 浙江舟山316000)

0 引言

管道是天然氣運(yùn)輸?shù)暮诵幕A(chǔ)設(shè)施，加之天然氣易燃易爆的固有屬性，輸氣管道一旦受到損傷，不僅會(huì)造成管道設(shè)備的物料損失，若由此導(dǎo)致天然氣泄漏，還可能引發(fā)嚴(yán)重的火災(zāi)、爆炸事故。因此，維護(hù)管道本體的安全性，已經(jīng)成為確保天然氣平穩(wěn)運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)國內(nèi)外事故統(tǒng)計(jì)分析，過去幾十年至今，挖掘施工等第三方破壞行為一直被認(rèn)為是輸氣管道安全運(yùn)行的最大威脅。2002—2013年，美國一共發(fā)生了464起輸氣管道事故，其中由第三方挖掘施工引起的事故高達(dá)122起，且其中100起事故的管道在挖掘荷載的作用下發(fā)生斷裂[1]。在我國，輸氣管道事故的主要原因同樣來自于第三方挖掘施工與機(jī)械破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005—2016年發(fā)生的100起油氣管道事故中，由第三方施工引起的占比高達(dá)61%[2]。可見對(duì)第三方挖掘施工破壞的研究十分必要。

國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)挖掘荷載作用下的管道損傷進(jìn)行了相關(guān)研究。BROOKER D C[3]利用ABAQUS有限元程序，對(duì)斗齒干涉荷載作用下的管道穿孔進(jìn)行了預(yù)測；楊建功[4]以彈塑性力學(xué)和赫茲接觸為理論基礎(chǔ)，建立了斗齒與管道的接觸破壞過程模型；姚安林等[5]通過ANSYS/LS-DYNA軟件和強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)管道所能承受的極限荷載進(jìn)行了分析。

本文借助ANSYS AUTODYN軟件，基于顯式動(dòng)力學(xué)，模擬挖斗沖擊管道表面的過程，探究不同動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)管道損傷程度的影響。

1 建立挖掘荷載損傷管道模型

1.1 土體與管道材料參數(shù)

(1)土體參數(shù)

本文選擇D-P模型對(duì)土壤性質(zhì)進(jìn)行模擬，該模型能較好地模擬土體在外力作用下的彈塑性狀態(tài)，能避免發(fā)生較大形變時(shí)的不穩(wěn)定情況，具體參數(shù)如表1所示。

表1 土壤參數(shù)

(2)管道參數(shù)

管道材料采用雙線性等向強(qiáng)化模型，具體參數(shù)如表2所示。

表2 管道參數(shù)

1.2 挖掘荷載損傷管道有限元模型

本文將挖掘荷載的作用看作挖斗沖擊管道的過程，由于挖斗模型本身較為復(fù)雜，且本研究中挖斗模型并不影響仿真結(jié)果，結(jié)果僅與斗齒有關(guān)，故在不影響仿真結(jié)果的前提下，以市面上最常見的某斗容為1.5 m3的挖斗為基礎(chǔ)進(jìn)行繪制，并對(duì)挖斗模型進(jìn)行簡化，挖斗與斗齒模型如圖1所示。

(a)挖斗模型 (b)斗齒模型

所繪制斗齒模型的參數(shù)如表3所示。

表3 斗齒參數(shù)

模型中假設(shè)該土壤環(huán)境下，土質(zhì)均勻分布且各向同性，為彈塑性材料。本文將挖掘荷載損傷管道簡化為一個(gè)半無限體受沖擊荷載作用的過程[6]?？紤]到覆土重量與挖掘荷載的巨大差距，本模型不考慮少量覆土對(duì)管道的影響。本模型中，挖斗作用在管道的正上方，管道已經(jīng)暴露在挖斗沖擊范圍內(nèi)，將挖斗設(shè)置為剛體，土體采用固定約束，其邊界為固定邊界[7]；對(duì)管道與周圍土體之間設(shè)置一個(gè)摩擦系數(shù)為0.4的接觸，最后通過網(wǎng)格劃分得到如圖2所示的斗-管-土有限元模型。由于挖掘荷載影響的范圍有限，同時(shí)考慮到減少不必要的計(jì)算量，具體研究中將目標(biāo)管段簡化至2 m進(jìn)行研究。

圖2 挖掘荷載作用下管道有限元模型

1.3 有限元模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證本模型的正確性，對(duì)管道在輸氣壓力作用下的應(yīng)力情況進(jìn)行分析。埋地輸氣管道在輸氣壓力作用下產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，由于是薄壁管道，徑向應(yīng)力小到可以忽略不計(jì)，所以只考慮其環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力[8]。經(jīng)過計(jì)算與模型模擬，有效應(yīng)力理論計(jì)算值與模型計(jì)算值的結(jié)果如表4所示。

表4 理論計(jì)算值與模型計(jì)算值的比較 MPa

由表中可以看出，理論計(jì)算值與有限元模型計(jì)算值基本吻合，誤差僅為1.5%，因此，使用該模型進(jìn)行管道力學(xué)特征與動(dòng)力響應(yīng)的模擬是合理的。

2 仿真結(jié)果數(shù)值分析

2.1 挖掘荷載作用下輸氣管道動(dòng)力響應(yīng)分析

通過三齒挖斗，對(duì)土體中暴露的管徑為1 220 mm、壁厚為18.3 mm的X80鋼材管道施加一個(gè)大小為1 000 kN的挖掘荷載，管道的輸氣壓力為5 MPa。模型計(jì)算后得到von-Mises應(yīng)力分布以及應(yīng)力變化趨勢曲線如圖3所示。

(a)管道應(yīng)力分布

從Mises應(yīng)力分布圖中可以看出，當(dāng)管道受到挖掘荷載的影響時(shí)，管道的應(yīng)力分布成對(duì)稱狀，在荷載作用位置單元處，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(gè)瞬態(tài)過程，作用時(shí)間短，發(fā)生頻率快[9]。X80鋼材的屈服強(qiáng)度為580 MPa，圖中顯示的最大應(yīng)力值為493 MPa，小于X80鋼材的屈服強(qiáng)度，管道并沒有達(dá)到被沖破的程度，但已經(jīng)發(fā)生較為明顯的形變。Mises應(yīng)力變化趨勢曲線為模型內(nèi)應(yīng)力的最大值。從曲線中可以看出，挖掘荷載作用需要一定的時(shí)間，埋地輸氣管道各單元的動(dòng)力響應(yīng)隨挖掘荷載的傳遞而滯后，但距離作用點(diǎn)較遠(yuǎn)的單元的應(yīng)力變化隨時(shí)間變化較小，說明挖掘荷載的傳播范圍較小。

2.2 復(fù)雜挖掘工況下管道損傷模擬分析

在挖掘機(jī)作業(yè)過程中，挖斗與管道之間的實(shí)際位置關(guān)系是極不規(guī)則的。為了對(duì)復(fù)雜工況下管道的損傷情況進(jìn)行研究，本文設(shè)置垂直水平面、與水平面呈60°角兩種沖擊角度來分析挖掘角度對(duì)管道損傷的影響；同時(shí),設(shè)置垂直管線方向、沿管線方向兩種挖掘方向來對(duì)比分析挖掘方向?qū)艿罁p傷的影響。

(1)不同荷載施加角度

在相同環(huán)境、同為500 kN荷載的情況下，分別從垂直水平面方向、與水平面呈60°角方向?qū)艿朗┘油诰蚝奢d，如圖4所示。

(a)垂直水平面方向 (b)與水平面呈60°角方向

模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

(a)垂直水平面方向

通過兩組應(yīng)力結(jié)果可以看出，兩組結(jié)果的最大應(yīng)力值幾乎相同，應(yīng)力分布也十分相似，因此可以推斷，不同挖掘荷載施加角度對(duì)管道損傷幾乎無影響。

(2)不同挖掘方向

在相同環(huán)境、同為500 kN荷載的情況下，分別從平行管線方向與垂直管線方向進(jìn)行挖掘作業(yè)，如圖6所示。

(a)平行管線方向 (b)垂直管線方向

模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

(a)平行管線方向

由于管道表面不是一個(gè)水平面，因此當(dāng)挖掘機(jī)以垂直管線方向進(jìn)行挖掘工作時(shí)，只有一個(gè)斗齒可以與管道面接觸。在相同大小的荷載情況下，垂直管線挖掘時(shí)斗齒與管道面的接觸面積更小，管道面受到的沖擊更大。從應(yīng)力分布結(jié)果可以看出，垂直管線方向挖掘時(shí)，管道的最大應(yīng)力高達(dá)625 MPa，已經(jīng)超過管道的屈服強(qiáng)度，此時(shí)管道面會(huì)被斗齒沖破，如圖8所示。

圖8 管道被沖破

由此可以看出，復(fù)雜挖掘工況下管道損傷程度的直接影響因素為斗齒數(shù)。因此，在研究挖掘荷載對(duì)管道的損傷作用時(shí)，可將挖斗與管道表面接觸方式的變化簡化為管道接觸斗齒數(shù)的變化，以便模型的建立與研究。

3 不同動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)管道損傷的影響

在實(shí)際工況中，挖掘荷載對(duì)管道的損傷作用受多個(gè)因素影響?；谝延械难芯砍晒?，本文對(duì)不同挖掘荷載、管道壁厚與斗齒數(shù)對(duì)管道損傷的影響進(jìn)行研究。

3.1 挖掘荷載

在相同環(huán)境下,對(duì)管道施加3個(gè)大小分別為1 500、1 000、500 kN的沖擊荷載。1 000 kN荷載作用下管道的Mises應(yīng)力與曲線如圖3所示，1 500、500 kN的模擬結(jié)果如圖9所示。

(a)1 500 kN管道應(yīng)力分布

由結(jié)果可以看出，當(dāng)施加1 500 kN的荷載時(shí)，管道的最大應(yīng)力為642 MPa，遠(yuǎn)大于鋼材的屈服強(qiáng)度，此時(shí)管道被沖破。同時(shí)可以看出，500 kN荷載下與1 000 kN荷載下的應(yīng)力曲線輪廓基本相同，而1 500 kN載荷下的應(yīng)力曲線由于管道被沖破顯得十分不規(guī)則。由此可見，挖掘荷載大小對(duì)管道損傷的影響十分明顯。

3.2 管道壁厚

為了探究管道壁厚對(duì)管道損傷的影響，選取兩組管道參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，具體參數(shù)如表5所示。

表5 不同壁厚管道參數(shù)

在相同環(huán)境下分別對(duì)兩組X80管道施加500 KN的挖掘荷載，A組計(jì)算結(jié)果見圖9(c)和圖9(d)，B組管道應(yīng)力分布如圖10所示，由于應(yīng)力變化曲線基本相同，故不再進(jìn)行展示。

圖10 B組管道損傷模擬結(jié)果

根據(jù)結(jié)果顯示，將A組與B組的仿真進(jìn)行對(duì)比，A組管道最大應(yīng)力為420 MPa，B組管道最大應(yīng)力為391 MPa,由此可以看出，在相同鋼材的前提下，壁厚越大，管道內(nèi)的應(yīng)力越小，但特定環(huán)境下減小的效果并不明顯。

3.3 斗齒數(shù)

在現(xiàn)階段的挖掘機(jī)市場上，有大量不同機(jī)型的挖掘機(jī)，但同等尺寸挖掘機(jī)的工作方式、功率、挖掘力是相似的[10]。實(shí)際工況中挖掘機(jī)對(duì)管道造成的損傷是多樣的，很大程度上取決于挖掘機(jī)的斗齒數(shù)。在之前三齒挖斗的基礎(chǔ)上，繪制一個(gè)五齒挖斗模型進(jìn)行研究。三齒挖斗的計(jì)算結(jié)果如圖9(c)和圖9(d)所示，五齒挖斗模型與其作用下的管道應(yīng)力分布如圖11所示。

(a)五齒挖斗 (b)五齒作用下管道應(yīng)力分布

計(jì)算結(jié)果顯示，五齒挖斗損傷管道時(shí)，其管道應(yīng)力小于三齒挖斗損傷管道時(shí)的應(yīng)力，這是因?yàn)槲妪X挖斗與管道平面的接觸面積較大，在相同大小荷載的情況下，接觸面積越大，管道面所受到的沖擊越小。同時(shí)可以看出，五齒作用下管道最大應(yīng)力明顯減小，可見斗齒數(shù)對(duì)挖掘機(jī)損傷管道的影響較大。

4 結(jié)論

(1)通過ANSYS AUTODYN軟件對(duì)挖掘荷載作用下的輸氣管道動(dòng)力響應(yīng)情況進(jìn)行模擬，可以看出，管道的應(yīng)力分布成對(duì)稱狀，在荷載作用位置單元處，有效應(yīng)力達(dá)到最大值，隨著距離荷載作用位置越遠(yuǎn)，有效應(yīng)力峰值越小。在復(fù)雜挖掘工況下，挖掘荷載的沖擊角度對(duì)管道損傷無影響，而挖掘方向的變化則會(huì)改變管道的接觸斗齒數(shù)，從而對(duì)管道損傷程度造成影響。

(2)通過改變挖掘荷載大小、管道壁厚與斗齒數(shù)3個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)的具體數(shù)值，模擬計(jì)算不同環(huán)境下管道的最大應(yīng)力值并進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，對(duì)管道損傷的影響程度從大到小排序依次是挖掘荷載>斗齒數(shù)>管道壁厚。在輸氣管道的完整性管理與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，可以此作為數(shù)值依據(jù)。