埋地油气管道局部悬空的强度和稳定性验算

基于Winkler假设的弹性地基梁理论,建立了埋地油气管道在发生地基土塌陷时管道与土相互作用的力学模型。结合局部悬空的埋地油气管道的实际运行状态分析了管道的应力状态,得出了实际运行状态时埋地油气管道的强度和稳定性验算公式以及埋地油气管道局部悬空的最大悬空长度计算方法。     

土体塌陷作用下埋地管道力学分析研究现状

土体塌陷是危害天然气管道安全运行的地质灾害之一,在研究土体塌陷对埋地天然气管道的作用机理以来,各种研究方法和模型都有着不同的优点与缺陷。在调研、分析大量国内外相关研究的基础上,以塌陷区埋地天然气管道为对象,对土体塌陷作用下管道力学响应的研究方法进行对比分析。研究结果表明:理论解析研究具有概念简单、计算方便、便于工程应用等优点,但其通常对管土参数及边界条件进行假设或简化,因此计算结果的可靠性还需进一步验证;数值模拟研究弥补了理论解析法无法解决复杂非线性问题的不足,同时避免了苛刻试验条件造成的研究难度,但对于单元生死技术的应用以及岩溶塌陷等特殊地质灾害的研究有待进一步完善;现有试验分析研究主要集中在非金属管道上,但其在塌陷模式、土体性质、管道敷设等方面仍与实际工况存在一定差异,且在全尺寸模型试验等领域还需进一步研究。     

采空塌陷区管道最大轴向应力计算及统计分析

采空塌陷对埋地油气管道的安全完整性构成了严重威胁。为此,在分析采空塌陷区管道变形基本特征和简化采空塌陷区管道半空间受力分析模型的基础上,对非沉陷区和沉陷区分别构建了计算模型,计算了不同工况条件下不同塌陷区长度、不同沉降量所对应的管道内部最大轴向应力,根据相关规范并采用最小二乘法,分别得出了只考虑管道内压不考虑强度折减系数和既考虑管道内压也考虑强度折减系数的沉陷区长度与对应的管道极限下沉量的统计关系,并得出以下结论：①在开采沉陷区,当没有发生塌陷时,埋地管道所承受的应力主要是其内压产生的轴向拉应力;②而当发生塌陷时,埋地管道所承受的应力主要是其内压和因塌陷产生的管道轴向拉应力之和;③在沉降区边缘的管道上部承受的应力值最大,其次是沉陷中心的管道下部,并承受着拉伸应力;④沉降盆地边缘的管道下部和沉陷中心的管道上部承受着压缩应力。     

断层运动对埋地管道的影响

本文的目的是研究平移断层运动对通过断层区的埋地管道的非线性反应的影响。在研究中，将具有大挠度的管道模拟成一弹性体，而具有小挠度的其余部分管道模拟成弹性基础上的半无限长梁。分别建立了管子的弹性和非弹性模型，用以检验断层运动对埋地管道的影响。非线性方程的求解采用了有阴分析。在研究中，对断层运动的距离，管道穿过断层的角度，管道直径及其埋深度，管道与土壤间的摩擦角参数进行了充分析。示例表明了本文模型的计算     

基于WSR的岩溶区域管道破坏特征与风险管控措施

岩溶区域乡镇天然气管道不可避免地受到岩土活动的影响,难以抵御土层错动作用和地表破坏所引起的永久性地面位移。在准确把握岩溶区域埋地管道破坏特征的基础上,建立岩溶区域乡镇天然气管道风险管控的物理-事理-人理（WSR）模型,并基于此从物理-事理-人理三个维度提出岩溶区域埋地管道的风险管控措施。研究表明:岩溶区域管道失效的最主要原因是管周土体与埋地管道的力学参数及变形性能差异,管道破坏模式主要分为拉伸破坏与屈曲破坏。为有效开展安全管理,既要注重在明确管道失效规律的基础上控制、减弱乃至消除危险源（物理）,完善管道运行过程中的安全管理及应急处置（事理）,也要运用法律、政策等手段规范相关主体的行为活动、营造良好的外部环境（人理）。     

地表冲沟条件下悬空管道的力学模型与延寿分析

各种类型的地质灾害严重影响埋地油气管道的服役年限。为此,采用经典力学中的弹塑性地基模型和Winkler弹性地基模型进行理论建模,根据工程实际情况结合两种模型各自的优点,构建有限元实体模型,并选择冲沟引发管道悬空为研究对象进行仿真计算,得到悬空管道结构与强度、刚度之间的定量关系;进而提出了通过减小重量变动,改变材料组成及结构,来提高悬空管道抗弯性能的技术思路,即借鉴碳纤维材料强固技术提升钢筋混凝土梁柱的抗弯曲和抗剪切能力的经验,设计管道的强固结构。在此基础上,综合分析管道悬空力学模型的理论数据和工程相似性。结果表明:①使用碳纤维材料来强固管道结构,可以改善管道抗弯和抗剪切能力,并且可开展实验进行定量研究;②碳纤维强固技术在管道设计与施工阶段的运用,可作为地质灾害下管道延寿工程的源头治理方法之一。     

大口径天然气管线穿越断层的管沟设计研究

为了保证埋地管线的抗震安全性,需要建立跨越断层埋地管线的力学分析模型、研究影响管道应变的因素并提出相应的抗震措施。目前,在埋地天然气管线抗震安全性研究方面,对管道应变影响最直接、最经济有效的管沟形状和尺寸这两个因素还没有予以研究。为此,应用有限元方法,首次建立了管沟尺寸及形状、管道埋深和回填土性质等因素对穿越断层埋地管线应变的影响分析模型,获得了不同管沟参数和回填土力学性质时的土弹簧参数,并应用ABAQUS软件进行了数值模拟分析,定量分析了管沟参数对管线应变的影响,最后根据基于应变的管道设计准则,提出了合理的管沟尺寸及形状,优化了穿越断层埋地管线的管沟设计,使管道应变降低了27.27%,有效提高了埋地管线的抗震安全性。     

埋地输油管道在线大修应力应变分析

建立了埋地输油管道在线大修时，开挖、直接重埋和支平后重埋工况下的力学模型。建立了埋地输油管道三维梁单元有限元应力应变计算力学模型，并给出了求解方法。提出了节点摩擦力循环迭代法和土壤弹塑性分区计算方法，解决了土壤与管道相互作用问题。建立了管道有效计算长度的确定方法。考虑管道内压，给出了管道综合应力计算方法。     

地震激励下管-土动力相互作用试验研究

海底管道的建设往往要考虑地震的影响,而管-土相互作用机理则是进行埋地管道抗震分析的基础。基于Cauchy原理和Buckinghamπ定理进行了试验相似比设计,以保证模型与原型相似,研制了叠层剪切箱来模拟地基边界效应,探讨了管-土间相对位移的试验量测方法,考察了管道埋深、地震动峰值、远近场地震动类型等因素对埋地管道抗震性能的影响,获得了管-土接触面相对位移、管道应变分布等试验数据,分析了管道应变与土体位移的关系。试验发现:管道与土体间的相对位移是管道结构产生应变的主要原因,土体本身以及管-土接触面的非线性发展是影响管-土相互作用程度的决定因素。     

埋地高密度聚乙烯管道抗浮措施

福建某项目埋地高密度聚乙烯管道，在一次台风过后出现了浮起及管道变形现象，采用地基加固和管沟回填等措施后，有效地控制了高密度聚乙烯管道浮起和变形。文章介绍了地基加固的方法以及管沟回填的步骤及要求，并从理论上分析了回填土的密实度与管道变形的关系。     

坍塌和冲沟作用下埋地管道大变形分析

埋地管道在坍塌、冲沟两种典型的地质破坏作用下可能会发生纵、横向大变形,由此造成管道的断裂,从而对埋地管线的正常运行构成威胁。因此,详细地分析这两种典型地质破坏作用下的埋管大变形具有非常重要的工程意义。将处于坍塌、冲沟作用下的管段视作受常值当量轴力S作用的大挠度梁,根据管道的纵横弯曲性质,并结合管梁几何方程的非线性进行埋管的大变形理论分析,推导得到变形位移和内力的计算公式。再结合专业管道应力分析软件CAESAR Ⅱ,以西气东输工程用管为例进行仿真计算,对理论分析的结果进行对比、验证,从中总结出一系列重要结论,并提出了几点相关建议。     

崩塌落石对不同埋深输气管道的冲击影响

管道埋深是管道设计时需考虑的重要因素之一,不同地域有不同的要求,在崩塌落石地区,由于落石对管道的冲击作用,管道容易发生破坏。文章利用ANSYS／LS—DYNA有限元软件,通过对参数的合理设置,选取适当的材料模型,对埋地输气管道不同埋深时落石对它的动力响应进行了三维数值模拟,得出管道在不同埋深下的响应规律,其计算结果为地质灾害多发地段埋地输气管道的设计施工提供了参考依据。     

大埋深油气管道防腐层破损检测技术研究

为了解决大埋深油气管道由于表面的腐蚀和破损对管道安全、高效、持续的运输造成的不利影响,针对大埋深管道进行防腐层破损检测研究。利用电磁波衰减的理论研究,对大埋深管道检测防腐层破损处的变化规律进行了分析;采用Comsol软件建立了相应的三维埋地管道仿真模型,模拟管道防腐层破损检测研究;通过对仿真模型的分析,得出了在不同埋深情况下、不同防腐层破损面积、不同频率的对应结果;研究确定了埋地管道防腐层更容易出现破损的位置。      

埋地管道极限悬空长度计算

长输管道运行环境复杂,所经地区地质条件多变,外界各种载荷共同作用导致管道悬空,影响管道的安全运营。简要介绍了实际工程模拟计算中常用的悬空管道力学模型。基于埋地管道悬空这种失效形式,选择了最佳的力学简化模型,将理论计算的应力和应变值与ABAQUS有限元分析软件仿真计算的结果进行对照,得出该管材管道的极限悬空长度L=350 m,此时管道的应力取值为517.0 MPa,应变取值为0.61%。     

爆炸载荷对埋地输气管道的动力响应和极限载荷分析

定量分析临近管道爆破对埋地输气管道产生的动力响应有助于合理制定输气管道的安全保护措施。利用LS-DYNA 3D有限元程序,根据准静定理论计算爆腔半径,在爆腔内壁施加压力时程,建立了爆腔-岩土介质-输气管道动力相互作用模型,基于多种工况下的数值模拟分析,探讨了埋地输气管道动态响应过程中管道质点速度和动应力峰值分别和装药量、爆心距的关系,以两倍弹性斜率准则确定管道在特定工况下的极限载荷,进一步建立了装药量和施工安全距离的经验关系式,此式可以作为输气管道在近距离爆破施工条件下的破坏判据。该模型为埋地输气管道在第三方荷载作用下的风险评估提供了一个计算平台,对埋地输气管道的设计、施工和完整性管理具有一定的参考价值。     

地下管道的纵向地震响应分析与抗震设计研究

基于与盾构结构地下管道(简称盾构管道)纵向变形性能相似的梁单元建立管道的纵向等价连续化模型,该模型将管道简化为黏弹性地基上的连续梁,用非线性弹簧和阻尼器来模拟土与管道结构之间的相互作用。为了探讨盾构管道的纵向地震响应特性,采用地层-管道三维等价连续化有限元模型对某过江盾构管道的地震响应进行了分析。利用动态显式算法进行地震作用分析,主要研究了合理的管道力学模型、管道与地层之间的相互作用以及管道的振动特性。计算结果反映了地基土和盾构管道在地震工况下的相互作用和变形,得出了盾构管道水平位移和应力分布及其随时间变化的曲线,并将计算结果与基于拟实仿真有限元模型的结果进行了对比。