几种在役管道典型地质灾害评价方法研究

发布时间：2019-12-03 09:25

【摘要】：管道运输具有一次性投资少、运输成本低、安全性高、利于环保等独特优势,尤其适合长距离运输易燃、易爆的石油天然气。世界经济发展对能源需求的持续增长使各国在管道设施安全建设上面临日益增加的压力,因此对管道完整性管理的关注和研究己引起了不少学者的重视。地质灾害作为管道完整性管理研究的一部分尤其重要。首先,基于、Vinkler假设的弹性地基梁,推导出了采空沉降作用下的管道沉降量和内力的计算公式,提出了管道沉降工况下考虑内压作用的管道典型部位的Mises应力计算公式,通过算例对比理论计算与仿真结果,验证了模型的准确性；表明该计算公式具有较高精度。利用板壳理论和有限元方法,建立了土体移动工况下数值计算模型,理论模型的验证提供了比较基准。通过分析认为管道下方土壤采空区长度存在临界值,当采空长度小于临界值时采空区长度增加对管道应力影响很小,当采空长度大于临界值时管道应力随采空长度增加迅速增大；在管土摩擦系数小于0.45时,管道最大Mises应力随其增大而近似线性增大,当管土摩擦系数大于0.45时其对管道最大Mises应力影响不大；保持适当内压可以降低沉降工况下的管道最大Mises应力；管道最大Mises应力随埋深增加而近似线性增大；管道最大Mises应力、管道变形随着采空区上方覆土层厚度的增大而减小。其次,本文利用弹性地基梁理论,建立了横向滑坡作用下埋地管道管土相互作用的理论模型,结合相关的边界条件,计算出了管道在横向滑坡作用下的挠度计算公式,采用微分法得到了截面转角、弯矩等参数的解,并利用弹性梁理论给出了管道在横向滑坡作用下的管道Mises等效应力计算公式,并通过案例与已建立的数值模型结果进行了验证。通过对滑坡相关影响因素的研究,认为当滑坡位移不变时,横向滑坡存宽度在一个极值和一个临界值,当滑坡宽度为极值时,管道由滑坡产生的Mises应力最大；当滑坡宽度大于临界值时,宽度变化对管道的附加Mises应力没有影响；当滑坡宽度小于该极值时,滑坡宽度越大,滑坡产生的Mises应力越大；当滑坡宽度大于该极值且小于临界值时,随着滑坡宽度增加,滑坡产生的附加Mises应力随着滑坡长度增加而减小。当滑坡宽度一定时,滑坡位移存在临界值,当滑坡位移小于临界值时,管道Mises应力随滑坡位移增大近似线性增大,当滑坡位移大于临界值时滑坡位移变化管道Mises应力影响很小。再次,只考虑最大落石冲击力的影响,提出了落石冲击和上层覆土、管道内压共同作用下的管道应力计算公式；开展了落石冲击埋地管道的试验研究,测试了不同落石高度对管道位移和应变的影响；建立了落石冲击在役埋地管道的数值计算模型,并将数值计算和试验结果进行了对比分析。通过研究认为土体的剪切模量、泊松比对落石冲击时管道最大Mises应力有重要影响,选择剪切模量、泊松比较大的覆土能有效降低落石冲击对管道应力的影响；管道最大Mises应力随着落石直径、速度的增大而线性增大；当落石边缘与管道中心线的距离大于管道半径时,落石冲击对管道影响很小；内压对管道的影响存在极值,内压小于极值时落石冲击随管道内压增大而减少；当内压大于极值时内压载荷时期管道Mises应力增加的主要因素；增加管道埋深、壁厚能有效降低落石冲击对管道的影响,但存在极值,超过极值后管道埋深、壁厚变化对落石冲击管道意义不大。最后,本文编制了地质灾害对管道安全性影响评价软件,利用友好的界面,在后台调用ANSYS软件进行计算,并在界面直接显示相关的计算结果。本文通过理论分析、数值计算和现场试验,建立了沉降、滑坡和落实冲击工况下管道变形部位的Mises应力计算公式,分析的典型相关因素对管道应力的影响规律,为典型地质灾害工况下的管道完整性评价提供理论支持。
【图文】：

天然气管道,浙江,事故,管道

2008—2009浙江天然气管道连续发生两起滑坡引起的管道失效事故，其中一起甚至引起管道的断裂爆炸，断裂后的管道如图2-4所示[19]。帅健等[16，19]对-4 -

剖面图,块体,剖面图,融冻

动现象与过程；可能发生崩落的岩体称为危岩，，典型坠落式崩塌块体剖面图如图2-5所示。影响崩塌（落石）的外部因素包括：降水、冰雪融冻、气温剧烈变化、水流冲刷、坡脚开挖、爆破等。835 PJI ^1 “危媝I m II785 I . ■ ^0 iO 20 30 40 50叛离/m图2-5典型坠落式崩塌块体剖面图[26]-6-
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE973

【参考文献】