山体滑坡区域内长输埋地油气管道强度研究

摘要

随着全球经济的快速发展和工业化进程的不断加快，世界各国对天然气和石油等能源的需求量日益增加。埋地管道因为在长距离输送的效率和经济性方面具有明显优势，目前已经成为该类介质的重要输送手段。长输埋地管道跨越的地域范围很广，由于各地区的地质环境复杂多变，管道在服役过程中不可避免的会受到来自周边环境的潜在威胁。近年来，随着地质灾害和极端天气数量的增多，由于山体滑坡引起的管道失效事故不断发生。现阶段，学术界和工程界都在关注两个问题:即如何准确预测山体滑坡作用下埋地管道的极限承载能力，以及判断已发生偏移的管道是否依然能够安全运行。
　　为了解决以上两个问题，本文在两项国家质检公益性行业科研专项课题（项目编号:200910096-2和201210242）的资助下，对山体滑坡作用下埋地管道的强度失效模式开展深入研究，主要的研究内容和成果如下:
　　(1)在考虑材料、几何和接触非线性的基础上，建立了山体滑坡区域内埋地管道发生偏移的全过程仿真模型。模型中的滑坡过程采用位移载荷控制，施加位置选择在距离管道不远的土体表面上;管道与土体之间采用有限滑移接触属性模拟两者介面上的相互作用;管道力学性能采用真实的应力-应变曲线描述，并遵循Bridgman方法进行修正以保证计算结果的准确性。
　　(2)基于弹塑性力学理论，运用弧长法和非线性稳定算法预测了山体滑坡作用下管道进入塑性垮塌和应变软化阶段的承载能力，获得了不同偏移程度下埋地管道的力学响应。文中分析了各类参数包括内压、径厚比、滑坡区宽度、土体性能以及管材性能对管道自由偏移能力的影响，指出管道进入塑性垮塌阶段时的最大主应变只与管材和土体的性能有关，该应变可以作为工程许用应变的选取依据之一。
　　(3)基于弹塑性断裂力学理论，运用扩展有限元技术，通过材料试验模拟、无偏移直管爆破模拟和山体滑坡区域内偏移管道的断裂过程模拟三个层面，描述了不同载荷工况下管道材料上的裂纹从萌生、扩展直至断裂的整个过程。首先，通过网格敏感性分析得到了裂尖区域附近单元的临界尺寸;接着，探讨了初始损伤的最大主应力和临界能量释放率对管道上的裂纹特征和力学响应带来的影响，指出前者主要控制材料何时发生损伤，后者主要控制材料发生损伤后何时扩展和最终断裂;最后，通过对内压、径厚比、滑坡区宽度、土体性能以及管材性能等关键参数的分析，得到了裂纹发生扩展和管道最终断裂时的最大主应变。考虑到该应变同样只与管材和土体的性能有关，故将其作为工程许用应变的另一选取依据。
　　(4)提出了基于应变判断的山体滑坡区域内埋地管道的强度失效准则，并结合有限元计算结果和相关国外标准，给出了适合于我国的埋地管道工程许用应变的选取方法。分析时将管道分为无缺陷和含缺陷两类:对于无缺陷管道，其许用应变参考塑性垮塌时的应变、最终断裂时的应变和ASME B31.8的极限应变给出;对于含缺陷管道，本文给出了XFEM和API579两种评价方法的对比结果。
　　(5)以近期我国某地区因山体滑坡引起的管道事故为案例背景，通过材料性能检测、断口分析测试和现场地质勘测，验证本文中提出的有限元模型和工程可接受准则的合理性，为我国今后的埋地管道设计和基于风险的检测工作提供技术支撑。

目录

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致谢

摘要

插图和附表清单

符号说明

第1章 绪论

1．1 长输埋地油气管道发展现状

1．2 永久地面变形作用下埋地管道的安全性

1．2．1 断层错动

1．2．2 山体滑坡

1．3 永久地面变形作用下埋地管道强度和屈曲研究现状

1．3．1 断层错动

1．3．2 山体滑坡

1．4 有限元计算方法

1．4．1 弹塑性力学在有限元方法中的运用

1．4．2 断裂力学在有限元方法中的运用

1．5 存在的问题

1．6 主要研究内容和技术路线

第2章 山体滑坡作用下埋地管道塑性垮塌阶段的承载能力

2．1 引言

2．2 数学建模

2．2．1 基本假设

2．2．2 材料参数

2．2．3 实体建模

2．2．4 数值计算方法

2．3 分析与讨论

2．3．1 模型验证

2．3．2 计算方法比较

2．3．3 主要因素影响

2．4 小结

第3章 山体滑坡作用下埋地管道的断裂特性

3．1 引言

3．2 材料参数

3．3 材料拉伸与三点弯试验断裂过程模拟

3．3．1 拉伸试验

3．3．2 三点弯试验

3．4 非偏移埋地管道爆破过程模拟

3．4．1 无缺陷管道

3．4．2 含裂纹缺陷管道

3．4．3 带沟槽缺陷管道

3．5 山体滑坡作用下埋地管道断裂过程模拟

3．5．1 数学建模

3．5．2 分析与讨论

3．6 小结

第4章 山体滑坡作用下埋地管道的安全评价方法

4．1 引言

4．2 山体滑坡区域内埋地管道及周围环境的有限元建模方法

4．2．1 滑坡作用等效载荷的施加方式

4．2．2 管土间的相互作用

4．2．3 材料参数的修正

4．3 山体滑坡区域内埋地管道强度失效准则

4．4 工程许用应变

4．4．1 无缺陷管道

4．4．2 含裂纹缺陷管道

4．5 小结

第5章 山体滑坡作用下埋地管道的典型事故案例分析

5．1 引言

5．2 事故过程简介

5．3 天然气管道基本参数

5．4 管道材料性能测试

5．4．1 母材性能测试

5．4．2 焊缝性能检测

5．5 断口分析测试

5．5．1 硬度测试

5．5．2 断口形貌分析

5．5．3 金相分析

5．6 土体力学性能测试

5．7 有限元模型和强度失效准则的合理性验证

5．8 事故原因分析和预防措施

5．9 小结

第6章 总结与展望

6．1 主要研究内容与结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

在读期间发表(录用)论文和著作情况

在读期间参与科研项目