山體滑坡區(qū)域內長輸埋地油氣管道強度研究.pdf

1、隨著全球經濟的快速發(fā)展和工業(yè)化進程的不斷加快，世界各國對天然氣和石油等能源的需求量日益增加。埋地管道因為在長距離輸送的效率和經濟性方面具有明顯優(yōu)勢，目前已經成為該類介質的重要輸送手段。長輸埋地管道跨越的地域范圍很廣，由于各地區(qū)的地質環(huán)境復雜多變，管道在服役過程中不可避免的會受到來自周邊環(huán)境的潛在威脅。近年來，隨著地質災害和極端天氣數量的增多，由于山體滑坡引起的管道失效事故不斷發(fā)生?，F(xiàn)階段，學術界和工程界都在關注兩個問題:即如何準確預測山

2、體滑坡作用下埋地管道的極限承載能力，以及判斷已發(fā)生偏移的管道是否依然能夠安全運行。
　　為了解決以上兩個問題，本文在兩項國家質檢公益性行業(yè)科研專項課題（項目編號:200910096-2和201210242）的資助下，對山體滑坡作用下埋地管道的強度失效模式開展深入研究，主要的研究內容和成果如下:
　　(1)在考慮材料、幾何和接觸非線性的基礎上，建立了山體滑坡區(qū)域內埋地管道發(fā)生偏移的全過程仿真模型。模型中的滑坡過程采用位移載荷控

3、制，施加位置選擇在距離管道不遠的土體表面上;管道與土體之間采用有限滑移接觸屬性模擬兩者介面上的相互作用;管道力學性能采用真實的應力-應變曲線描述，并遵循Bridgman方法進行修正以保證計算結果的準確性。
　　(2)基于彈塑性力學理論，運用弧長法和非線性穩(wěn)定算法預測了山體滑坡作用下管道進入塑性垮塌和應變軟化階段的承載能力，獲得了不同偏移程度下埋地管道的力學響應。文中分析了各類參數包括內壓、徑厚比、滑坡區(qū)寬度、土體性能以及管材性能對

4、管道自由偏移能力的影響，指出管道進入塑性垮塌階段時的最大主應變只與管材和土體的性能有關，該應變可以作為工程許用應變的選取依據之一。
　　(3)基于彈塑性斷裂力學理論，運用擴展有限元技術，通過材料試驗模擬、無偏移直管爆破模擬和山體滑坡區(qū)域內偏移管道的斷裂過程模擬三個層面，描述了不同載荷工況下管道材料上的裂紋從萌生、擴展直至斷裂的整個過程。首先，通過網格敏感性分析得到了裂尖區(qū)域附近單元的臨界尺寸;接著，探討了初始損傷的最大主應力和臨界

5、能量釋放率對管道上的裂紋特征和力學響應帶來的影響，指出前者主要控制材料何時發(fā)生損傷，后者主要控制材料發(fā)生損傷后何時擴展和最終斷裂;最后，通過對內壓、徑厚比、滑坡區(qū)寬度、土體性能以及管材性能等關鍵參數的分析，得到了裂紋發(fā)生擴展和管道最終斷裂時的最大主應變?？紤]到該應變同樣只與管材和土體的性能有關，故將其作為工程許用應變的另一選取依據。
　　(4)提出了基于應變判斷的山體滑坡區(qū)域內埋地管道的強度失效準則，并結合有限元計算結果和相關國外

6、標準，給出了適合于我國的埋地管道工程許用應變的選取方法。分析時將管道分為無缺陷和含缺陷兩類:對于無缺陷管道，其許用應變參考塑性垮塌時的應變、最終斷裂時的應變和ASME B31.8的極限應變給出;對于含缺陷管道，本文給出了XFEM和API579兩種評價方法的對比結果。
　　(5)以近期我國某地區(qū)因山體滑坡引起的管道事故為案例背景，通過材料性能檢測、斷口分析測試和現(xiàn)場地質勘測，驗證本文中提出的有限元模型和工程可接受準則的合理性，為我國