滑坡作用下管道应力敏感性的分析方法与流程

1.本发明涉及管道应力分析技术领域，具体涉及一种滑坡作用下管道应力敏感性的分析方法。


背景技术：

2.由于我国地形复杂，油气管道不可避免地会穿过地质灾害区，这使得油气管道存在着极大的潜在安全危险。其中，管道滑坡占管道地质灾害的比例超过了70％，滑坡灾害是所有地质灾害中对油气管道安全影响最大的。滑坡的发生会对油气管道安全运行产生较大威胁，一旦作用于油气管道上的最大附加应力超过了油气管道的许用应力，将使油气管道产生过量的位移或变形，甚至导致油气管道断裂而造成泄露，严重危及到油气管道的安全。因此，分析滑坡作用下的管道应力，确保油气管道处于安全水平以有效避免事故发生，已成为本领域刻不容缓的研究课题之一。
3.要分析滑坡作用下的管道应力，确定油气管道安全状态，及时预警并提出合理的措施，就必须深入认识和理解滑坡的运动变形特点和管土(管道与土壤)之间的相互作用关系，而实际滑坡段管道的受力情况会受多种因素包括管道埋深、管道内压、滑坡段宽度及滑坡位移等的影响，而目前所使用的解析法很难将管土之间的相互作用描述清楚，且理论推导形成的复杂评价方法在实际中很难切实应用。因此，如何提出一种滑坡作用下管道应力敏感性的分析方法，以准确分析管土之间的相互作用，并可研究不同因素对管道受力情况的影响以分析滑坡作用下管道应力的分布规律，从而辅助对滑坡作用下管道危害的防治提出科学性的措施与策略，已成为本领域亟待解决的技术课题之一且具有重大现实和指导意义。


技术实现要素：

4.本技术方案的目的是分析不同因素对管道受力情况的影响，以提出一种滑坡作用下管道应力敏感性的分析方法，应用该分析方法可准确分析管土之间的相互作用以及滑坡作用下管道的应力分布规律，从而对滑坡作用下管道危害的科学防治措施与策略提供有力的数据支持。
5.为了实现上述目的，本技术方案提供了一种滑坡作用下管道应力敏感性的分析方法，该分析方法的步骤包括：
6.建立管道本构模型：其中，ε为管道应变，σ为管道所受应力，其单位为mpa，e为管道的弹性模量，其单位为mpa，σs为管道的屈服强度，其单位为mpa，α为管道的屈服偏移量，n为管道的硬化指数；
7.建立管道模型：将管道本构模型及管道的弹性模量e、管道的屈
服强度σs、管道的屈服偏移量α、管道的硬化指数n、管道的泊松比以及管道所受应力σ及其对应的管道应变ε的值赋予用于力学应力应变分析的有限元软件中的管单元以建立管道模型；
8.确定土壤的物理力学指标：根据土壤的类型以确定土壤的物理力学指标；
9.计算埋地管道的管土相互作用参数：对埋地管道定义三个土弹簧以分别模拟埋地管道所受的水平方向的土压力、轴向的土摩擦力及垂直方向的土压力，并且结合土壤的物理力学指标以及埋地管道的外直径和埋设深度以分别计算埋地管道水平方向的极限抗力与屈服位移、轴向的极限抗力与屈服位移以及垂直方向的极限抗力与屈服位移；
10.建立土弹簧模型：将埋地管道的外直径和埋设深度以及埋地管道水平方向的极限抗力与屈服位移、轴向的极限抗力与屈服位移及垂直方向的极限抗力与屈服位移赋予用于力学应力应变分析的有限元软件中的土弹簧单元以建立埋地管道水平方向、轴向及垂直方向的土弹簧；
11.建立滑坡作用下埋地管道应力分析有限元模型：在应用用于力学应力应变分析的有限元软件的管单元建立管道模型的基础上，于所述管单元设定管道单元的长度、埋地管道的非滑坡段宽度及滑坡段宽度，并且于每个管道单元的节点处设定连接所述土弹簧单元所建立的埋地管道水平方向、轴向及垂直方向的土弹簧；
12.模拟滑坡作用下埋地管道所受应力：应用所述管单元对埋地管道端部进行六个自由度的约束，设定埋地管道的运行内压，并对埋地管道滑坡段所连接的由所述土弹簧单元建立的水平方向、轴向及垂直方向的土弹簧施加水平方向、轴向及垂直方向中的至少一个方向的位移载荷，以获得滑坡作用下埋地管道的应力分布及最大应力；
13.滑坡作用下埋地管道应力敏感性分析：基于滑坡作用下埋地管道应力分析有限元模型，分别改变埋地管道的埋设深度、运行内压、滑坡段宽度及滑坡段所受水平方向、轴向或垂直方向的位移载荷中的至少一个参数值，以获得滑坡作用下不同因素对埋地管道的应力分布的影响以及最大应力。
14.通过本技术方案的上述分析方法可针对石油天然气输送管道建立滑坡作用下埋地管道应力分析有限元模型，并通过改变埋地管道的埋设深度、运行内压、滑坡段宽度及滑坡位移的一个或多个参数值，即可分析得到该些参数值对于埋地管道应力的影响，从而准确分析管土之间的相互作用，掌控滑坡作用下埋地管道应力的敏感性，确定埋地管道的应力状态，以判断埋地管道的安全水平，并为管道危害的科学防治措施与策略提供有力的数据支持。
15.作为本技术方案的另一种实施，管道的弹性模量e、管道的泊松比、管道的屈服强度σs、管道的屈服偏移量α及管道的硬化指数n的取值是通过对埋地管道的钢材进行取样，并对取样的钢材进行轴向拉伸试验而取得。
16.作为本技术方案的另一种实施，在试验条件不足的情况下，管道的弹性模量e、管道的泊松比、管道的屈服强度σs、管道的屈服偏移量α及管道的硬化指数n的取值也可通过《gb/t 50470油气输送管道线路工程抗震技术规范》中不同钢级所对应的ramberg-osgood模型的参数值而取得。
17.作为本技术方案的另一种实施，该土壤的物理力学指标是通过土力学测试方法获得，其中，土壤的物理力学指标包括土壤的粘聚力、总容重、有效容重及管土摩擦角。
18.作为本技术方案的另一种实施，其中，埋地管道轴向的极限抗力为：其中，d为埋地管道的外直径，其单位为m，c为土壤的粘聚力，其单位为pa，h为埋地管道的埋设深度，其单位为m，为土壤的有效容重，其单位为n/m3，β为粘滞系数，其单位为kpa/100，δ为管土摩擦角，δ＝fφ，φ为土壤内摩擦角，f为摩擦系数且f＝0.6，k0为土压系数，k0＝1-sin(φπ/180)；
19.埋地管道水平方向的极限抗力为：其中，n
ch
为硬粘土或松粘土水平承载能力系数且c＝0时其为0，n
qh
为密砂或松砂水平承载能力系数且φ＝0
°
时其为0，n
qh
＝a b(x) c(x2) d(x3) e(x4)，以上a、b、c、d、e系数为插值所得，插值表格如下：
20.系数φxabcden
ch0°
h/d6.7520.065-11.0637.119
‑‑nqh
20
°
h/d2.3990.439-0.031.059(10)-3-1.754(10)-5nqh
25
°
h/d3.3320.839-0.095.606(10)-3-1.319(10)-4nqh
30
°
h/d4.5651.234-0.0894.275(10)-3-9.159(10)-5nqh
35
°
h/d6.8162.019-0.1467.651(10)-3-1.683(10)-4nqh
40
°
h/d10.9591.7830.045-5.425(10)-3-1.153(10)-4nqh
45
°
h/d17.6583.3090.048-6.443(10)-3-1.299(10)-4
；
21.埋地管道垂直向上方向的极限抗力为：其中，n
cv
为硬粘土或松粘土垂直向上系数且c＝0时其为0，n
cv
＝2*(h/d)≤10，n
qv
为密砂或松砂垂直向上系数且φ＝0
°
时其为0，n
qv
＝(φ*h/44/d)≤nq；
22.埋地管道垂直向下方向的极限抗力为：其中，nc，nq，n
γ
为承载能力系数，γ为土壤的总容重，
[0023][0024][0025]nγ
＝e
(0.18φ-2.5)
。
[0026]
作为本技术方案的另一种实施，埋地管道轴向的屈服位移为：密砂为3mm，松砂为5mm，硬粘土为8mm，松粘土为10mm；埋地管道水平方向的屈服位移为：δp＝0.04*(h d/2)≤0.15d；埋地管道垂直向上方向的屈服位移为：密砂与松砂均为0.015h《0.1d，硬粘土与松粘土均为0.15h《0.2d；埋地管道垂直向下方向的屈服位移为：密砂与松砂均为0.1d，硬粘土与松粘土均为0.2d。
[0027]
作为本技术方案的另一种实施，该用于力学应力应变分析的有限元软件可为ansys软件或abaqus软件，有限元软件中的管单元可为ansys软件中的pipe20管单元或是abaqus软件中的pipe31管单元，有限元软件中的土弹簧单元可为ansys软件中的combin39单元或是abaqus软件中psi单元。
附图说明
[0028]
图1为本发明滑坡作用下管道应力敏感性的分析方法的流程图；
[0029]
图2为x80钢级管道的ramberg-osgood模型的曲线图；
[0030]
图3为对埋地管道定义三个方向的土弹簧的示意图；
[0031]
图4a为土弹簧水平方向极限抗力与屈服位移性能变化示意图；
[0032]
图4b为土弹簧垂直方向极限抗力与屈服位移性能变化示意图；
[0033]
图4c为土弹簧轴向极限抗力与屈服位移性能变化示意图；
[0034]
图5为滑坡作用下位移载荷施加的示意图；
[0035]
图6为土壤为硬粘土的埋地管道的应力分布曲线图；
[0036]
图7为不同埋设深度下埋地管道的应力分布曲线图；
[0037]
图8为不同运行压力下埋地管道的应力分布曲线图；
[0038]
图9为不同滑坡段宽度下埋地管道的应力分布曲线图；
[0039]
图10为不同水平方向位移载荷下埋地管道的应力分布曲线图。
[0040]
附图中的符号说明：
[0041]
s1至s8步骤；1埋地管道；2土弹簧；3滑坡段；4节点；kp水平方向的土压力；kt轴向的土摩擦力；kq垂直方向的土压力。
具体实施方式
[0042]
有关本发明的详细说明及技术内容，配合图式说明如下，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
[0043]
如图1所示，本发明提供了一种滑坡作用下管道应力敏感性的分析方法，该分析方法的步骤包括：
[0044]
建立管道本构模型s1：其中，ε为管道应变，σ为管道所受应力，其单位为mpa，e为管道的弹性模量，其单位为mpa，σs为管道的屈服强度，其单位为mpa，α为管道的屈服偏移量，n为管道的硬化指数。于本发明中，考虑到管道由于滑坡作用而受到较大的位移载荷，从而进入塑性状态，为了准确描述管道这种弹塑性的本构关系，本发明采用了ramberg-osgood模型(r-o模型)以较好的表征管道真实的本构关系，从而准确的计算管道实际应力分布规律。如图2所示，为利用ramberg-osgood模型建立的钢级为x80的管道本构模型以描述应力与应变的对应曲线关系图。
[0045]
建立管道模型s2：将管道本构模型及管道的弹性模量e、管道的屈服强度σs、管道的屈服偏移量α、管道的硬化指数n、管道的泊松比以及管道所受应力σ及
其对应的管道应变ε的值赋予用于力学应力应变分析的有限元软件中的管单元以建立管道模型。在实际实施中，由于滑坡范围一般比较大，且考虑到本分析方法主要是分析管道的应力应变分布，结合管单元具有拉压和弯曲性能且能够描述塑性和膨胀特性，很适用于滑坡作用下管道应力敏感性分析，因此，选用管单元来模拟管道可以很好的分析管道应力应变的分布，并且能够节省计算资源。于本发明中，该用于力学应力应变分析的有限元软件可选用ansys软件或abaqus软件，当然也可选用其它同类型的有限元软件，而有限元软件中的管单元则可选用ansys软件中的pipe20管单元或是abaqus软件中的pipe31管单元，于本发明中主要是以ansys软件进行举例说明的。
[0046]
确定土壤的物理力学指标s3：根据土壤的类型以确定土壤的物理力学指标。
[0047]
计算埋地管道的管土相互作用参数s4：如图3所示，对埋地管道1定义三个土弹簧2以分别模拟埋地管道1所受的水平方向的土压力kp、轴向的土摩擦力kt及垂直方向的土压力kq，并且结合土壤的物理力学指标以及埋地管道1的外直径和埋设深度以分别计算埋地管道水平方向的极限抗力pu与屈服位移δp(结合图4a所示)、轴向的极限抗力tu与屈服位移δt(结合图4c所示)以及垂直方向的极限抗力qu(垂直向上)和qd(垂直向下)与屈服位移δqu(垂直向上)和δqd(垂直向下)(结合图4b所示)。考虑到管道受到滑坡作用时会因土壤施加大位移载荷而发生变形，同时管道也会对土壤有反作用，因此，在进行滑坡作用下管道应力敏感性分析时考虑管土之间的相互作用是非常有必要的。
[0048]
建立土弹簧模型s5：将埋地管道的外直径和埋设深度以及埋地管道水平方向的极限抗力pu与屈服位移δp、轴向的极限抗力tu与屈服位移δt及垂直方向的极限抗力qu、qd与屈服位移δqu、δqd赋予ansys软件中的combin39单元以建立埋地管道水平方向、轴向及垂直方向的土弹簧，当然也可赋予abaqus软件中psi单元以建立埋地管道水平方向、轴向及垂直方向的土弹簧。
[0049]
建立滑坡作用下埋地管道应力分析有限元模型s6：在应用ansys软件中的pipe20管单元建立管道模型的基础上，于pipe20管单元设定管道单元的长度、埋地管道1的非滑坡段宽度及滑坡段3宽度，并且于每个管道单元的节点4处设定连接combin39单元所建立的埋地管道水平方向、轴向及垂直方向的土弹簧2，如图5所示。
[0050]
模拟滑坡作用下埋地管道所受应力s7：应用pipe20管单元对埋地管道1端部进行六个自由度的约束，设定埋地管道1的运行内压，并对埋地管道1滑坡段3所连接的由combin39单元建立的水平方向、轴向及垂直方向的土弹簧2(即滑坡段的每个管道单元节点4处的三个方向的土弹簧2)施加水平方向、轴向及垂直方向中的至少一个方向的位移载荷，以获得滑坡作用下埋地管道1的应力分布及最大应力。
[0051]
滑坡作用下埋地管道应力敏感性分析s8：基于滑坡作用下埋地管道应力分析有限元模型，分别改变埋地管道1的埋设深度、运行内压、滑坡段3宽度及滑坡段3所受水平方向、轴向或垂直方向的位移载荷中的至少一个参数值，以获得滑坡作用下不同因素对埋地管道1的应力分布的影响以及最大应力。
[0052]
上述分析方法中，管道的弹性模量e、管道的泊松比、管道的屈服强度σs、管道的屈服偏移量α及管道的硬化指数n的取值是通过对埋地管道的钢材进行取样，并对取样的钢材进行轴向拉伸试验而取得。但是在试验条件不足的情况下，该管道的弹性模量e、管道的泊松比、管道的屈服强度σs、管道的屈服偏移量α及管道的硬化指数n的取值也可通过《gb/
t50470油气输送管道线路工程抗震技术规范》中不同钢级所对应的ramberg-osgood模型的参数值而取得，如下表1所示，其中，对于由金属制成的管材而言，其弹性模量e和泊松比均是相互对应且相对固定的值，因此于表1中并未包括。
[0053]
钢级σsαnx423502.00417.72x523891.69914.14x564171.51917.79x604371.40315.85x654591.28819.90x704701.23414.58x805300.98120.12
[0054]
表1。
[0055]
上述分析方法中，该土壤的物理力学指标可通过土力学测试方法获得，其中，土壤的物理力学指标包括土壤的粘聚力、总容重、有效容重及管土摩擦角。而通过土力学测试方法以获得土壤的粘聚力、总容重、有效容重及管土摩擦角的数值为公知常识，因此，于本发明中不对该土力学测试方法进行赘述。另外，不同类型土壤的上述物理力学指标也可通过查阅相关文献而获得。
[0056]
上述分析方法中，埋地管道轴向的极限抗力tu为：其中，d为埋地管道的外直径，其单位为m，c为土壤的粘聚力，其单位为pa，h为埋地管道的埋设深度，其单位为m，为土壤的有效容重，其单位为n/m3，β为粘滞系数，其单位为kpa/100，δ为管土摩擦角，δ＝fφ，φ为土壤内摩擦角，f为摩擦系数且f＝0.6，k0为土压系数，k0＝1-sin(φπ/180)；
[0057]
埋地管道水平方向的极限抗力pu为：其中，n
ch
为硬粘土或松粘土水平承载能力系数且c＝0时其为0，n
qh
为密砂或松砂水平承载能力系数且φ＝0
°
时其为0，n
qh
＝a b(x) c(x2) d(x3) e(x4)，以上a、b、c、d、e系数为插值所得，插值表格如下：
[0058]
系数φxabcden
ch0°
h/d6.7520.065-11.0637.119
‑‑nqh
20
°
h/d2.3990.439-0.031.059(10)-3-1.754(10)-5nqh
25
°
h/d3.3320.839-0.095.606(10)-3-1.319(10)-4nqh
30
°
h/d4.5651.234-0.0894.275(10)-3-9.159(10)-5nqh
35
°
h/d6.8162.019-0.1467.651(10)-3-1.683(10)-4nqh
40
°
h/d10.9591.7830.045-5.425(10)-3-1.153(10)-4nqh
45
°
h/d17.6583.3090.048-6.443(10)-3-1.299(10)-4
；
[0059]
埋地管道垂直向上方向的极限抗力qu为：其中，n
cv
为硬粘土或松粘土垂直向上系数且c＝0时其为0，n
cv
＝2*(h/d)≤10，n
qv
为密砂或松砂垂直向上系数且φ＝0
°
时其为0，n
qv
＝(φ*h/44/d)≤nq；
[0060]
埋地管道垂直向下方向的极限抗力qd为：其中，nc，nq，n
γ
为承载能力系数，γ为土壤的总容重，
[0061][0062][0063]nγ
＝e
(0.18φ-2.5)
。
[0064]
上述分析方法中，埋地管道轴向的屈服位移δt为：密砂为3mm，松砂为5mm，硬粘土为8mm，松粘土为10mm；埋地管道水平方向的屈服位移δp为：δp＝0.04*(h d/2)≤0.15d；埋地管道垂直向上方向的屈服位移δqu为：密砂与松砂均为0.015h《0.1d，硬粘土与松粘土均为0.15h《0.2d；埋地管道垂直向下方向的屈服位移δqd为：密砂与松砂均为0.1d，硬粘土与松粘土均为0.2d。
[0065]
以下举一实施例描述本分析方法的具体实施：
[0066]
本实施例以我国某天然气管道为例，管道材料为x80钢管，管道的外直径为1016mm，管道壁厚为14.6mm，管道的埋设深度为2m，管道的运行内压为10mpa，管道周围的土壤为硬粘土，设定的管道长度为1000m,其中，在0至450m和550至1000m段为非滑坡段，450至550m为滑坡段，滑坡段宽度为100m，水平方向的位移载荷为2m，管道单元的长度为1m。
[0067]
经对x80钢管取样并进行轴向拉伸试验以得到x80钢材的管道本构模型参数值，如表2所示：
[0068][0069]
表2。
[0070]
将管道本构模型及其参数值赋予ansys软件中的pipe20管单元以建立管道模型。pipe20管单元是具有拉压、弯曲和扭转性能的单轴单元，其单元的每个节点有6个自由度：沿节点坐标x,y,z方向的位移和绕节点坐标x,y,z轴转动，其单元具有塑性、蠕变和膨胀特性。
[0071]
通过土力学测试方法确定硬粘土的物理力学指标，如下表3所示：
[0072]
[0073]
表3。
[0074]
定义三个土弹簧以模拟管道三个方向的管土相互作用，结合图3、图4a至4c所示，并结合上述物理力学指标及管道的外直径和埋设深度以计算管道的管土相互作用参数，如下表4所示：
[0075][0076]
表4。
[0077]
将上述管土相互作用参数赋予ansys软件中的combin39单元以建立土弹簧模型。其中，combin39是一个具有非线性功能的单向单元，可对此单元输入广义的力一变形曲线，可以较好模拟土体对埋地管线的作用，该单元可用于任何分析之中，在一维、二维和三维的应用中，该单元都有轴向或扭转功能，轴向选项(longitudinal)代表轴向拉压单元，每个节点具有3个自由度:沿节点坐标系x，y，z的平动，不考虑弯曲和扭转，扭转选项(torsional)代表纯扭单元，每个节点具有3个自由度：绕节点坐标轴x，y，z的转动，不考虑弯曲和轴向荷载，该单元仅当每个节点有两个或者三个自由度的时候，才可以具有大位移的功能。
[0078]
应用pipe20管单元建立长度为1000m的管道，结合图5所示，设定管道单元的长度为1m且均匀分布，0至450m和550至1000m段为非滑坡段，450至550m为滑坡段3，滑坡段3宽度为100m，在每个管道单元的节点4处连接有三个方向的由combin39单元建立的土弹簧2，在0m和1000m的管道端部约束管道的六个自由度，对整体管道施加10mpa的运行内压，并对滑坡段3的管道所连接的土弹簧2(即450至550m段的每个管道单元节点4处连接的三个方向的土弹簧2)施加x方向(但也可同时或单独施加y方向及/或z方向的位移载荷)的2m的位移载荷(即模拟水平方向的滑坡)，以进行有限元计算与滑坡作用下管道应力分析，得到管道的应力分布，以及沿整条管道的应力分布曲线，如图6所示，分析得到管道轴向最大应力为141.9mpa。
[0079]
保持其他模型参数不变，计算管道埋设深度为1.5m、2m和2.5m时管道的应力分布，由于管土相互作用参数与管道埋设深度有关，当管道埋设深度发生变化时，管土相互作用参数需重新计算，将重新得到的管土相互作用参数赋予combin39单元。不同埋设深度的管土相互作用参数如下表5所示，以计算得到不同埋设深度的管道应力分布，如图7所示。随着管道埋设深度的增加，管道轴向最大应力也增加，不同埋设深度下管道轴向最大应力如下表6所示：
[0080][0081]
表5
[0082][0083]
表6。
[0084]
保持其他模型参数不变，计算管道运行内压为6mpa、8mpa、10mpa和12mpa时管道的应力分布，如图8所示，随着管道运行内压的增加，管道轴向最大应力也增加，不同管道运行内压下管道轴向最大应力如下表7所示：
[0085][0086]
表7。
[0087]
保持其他模型参数不变，计算滑坡段宽度为75m、100m、125m和150m时管道的应力分布，如图9所示，随着滑坡段宽度的增加，管道轴向最大应力也增加，不同滑坡段宽度下管道轴向最大应力如下表8所示：
[0088][0089]
表8。
[0090]
保持其他模型参数不变，计算水平方向的位移载荷为1.5m、2m、2.5m和3m时管道的应力分布，如图10所示，随着位移载荷的增加，管道轴向最大应力也增加，不同位移载荷下管道轴向最大应力如下表9所示：
[0091][0092]
表9。
[0093]
当然，应用本分析方法也可保持其他模型参数不变，而改变管道埋设深度、运行内压、滑坡段宽度及水平方向、轴向及垂直方向中的两个以上的模型参数而计算分析管道的应力分布及最大应力。
[0094]
通过本发明的上述分析方法可针对石油天然气输送管道建立滑坡作用下埋地管道应力分析有限元模型，并通过改变埋地管道的埋设深度、运行内压、滑坡段宽度及滑坡位移的一个或多个参数值，即可分析得到该些参数值对于埋地管道应力的影响，从而准确分析管土之间的相互作用，掌控滑坡作用下埋地管道应力的敏感性，确定埋地管道的应力状态，以判断埋地管道的安全水平，并为管道危害的科学防治措施与策略提供有力的数据支持。
[0095]
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利构思所做的等效变化，均应属于本发明的专利保护范围。