帥健 張銀輝

中國石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院

摘  要：山地高低起伏、溝壑縱橫、坡度陡峻，地質(zhì)災害頻發(fā)，不僅給山地管道施工建設帶來(lái)極大困難，也給后期運行維護帶來(lái)嚴峻挑戰。從應力分析、本質(zhì)安全、防護結構、災害監測等方面提出了提升管道安全性的措施，包括全面了解管道的應力狀態(tài)、提高環(huán)焊縫的承載能力或應變能力、提升防護結構安全水平、加強地質(zhì)災害識別與監測等，為山地管道的設計、運行維護提供參考。

關(guān)鍵詞：山地管道；地質(zhì)災害；應力分析；本質(zhì)安全

油氣管道的運行安全與其敷設所處環(huán)境密切相關(guān)。我國屬于多山國家，隨著(zhù)管道建設的日益增多，管道不可避免地要經(jīng)過(guò)山地區域。山地表面形態(tài)各異、蜿蜒起伏的地形地貌特征使得管道受到的外部載荷條件呈現復雜狀況。同時(shí)，山地具有地質(zhì)災害頻發(fā)的特點(diǎn)，常見(jiàn)的地質(zhì)災害如滑坡、崩塌、斷層、泥石流等，可能直接造成管道拉裂、彎曲、壓縮、扭曲、屈曲等[1]，引發(fā)嚴重的安全事故。

圖 1為臨近道路施工誘發(fā)山體滑坡，開(kāi)挖后的管道發(fā)生明顯移位。圖 2為某管道山地敷設段因滑坡而發(fā)生皺褶，引發(fā)了介質(zhì)泄漏。從山地管道失效案例可以總結管道失效原因：一是對管道受到的外部載荷估計不足，往往是管道發(fā)生事故之后，才意識到管道受到嚴重的載荷作用；二是管道的應變能力不足，土體擾動(dòng)即可能導致管道失效；三是管道的防護結構（如擋土墻等）保護能力不足，某些因素可能致其先行損壞，未能對管道起到足夠的防護作用。

                              

為適應山地地貌、地質(zhì)特征，從管道的應力分析、本質(zhì)安全、防護結構和災害監測等方面提出改進(jìn)措施，提升山地管道的安全性，預防事故發(fā)生。

1  準確分析山地管道載荷

與平緩地形敷設的管道不同，地形起伏蜿蜒可能使管道發(fā)生彎曲甚至扭曲，給管道的應力分析帶來(lái)困難[2,3]，加之不良地質(zhì)條件的存在，可能使管道受到復雜的載荷作用，進(jìn)一步加劇了管道的變形。因此，查明山地敷設段管道受到的載荷大小，準確分析管道的應力狀況，是山地管道安全分析的首要工作。

為提高山地管道應力分析的準確性，制定合理的分析流程就尤為重要。以下管道應力分析流程，典型地質(zhì)災害如滑坡、斷層、崩塌、泥石流等均適用。

（1）調查與勘測。確定管道的現場(chǎng)地質(zhì)情況、地形地貌、敷設參數、管輸介質(zhì)及運行參數等。

（2）確定工況條件。包括土體移動(dòng)、影響范圍及管土作用等情況的分析與預測。

（3）管道力學(xué)行為分析與計算。采用有限元法及解析計算方法，定量計算管道的應力及應變狀態(tài)。

（4）極限狀態(tài)判別。針對不同類(lèi)型地質(zhì)災害，采用合適的管道極限狀態(tài)判定準則判別管道的極限狀態(tài)，典型的極限狀態(tài)如屈服、拉裂、屈曲以及橢圓化變形等。

（5）安全評定。對比極限狀態(tài)判定準則確定管道的安全狀態(tài)，建議采取維護或防治措施。如有必要，針對維護或防護措施進(jìn)行驗算，確保維護或防治措施的可靠性。

山地管道的力學(xué)行為往往是復雜的，采用解析計算方法較難處理此類(lèi)問(wèn)題，而采用有限元方法較為可行[4]，這也是目前普遍采用的方法。在有限元方法中，管土間相互作用采用土彈簧模型化，通過(guò)彈簧的剛度及自由度反映土質(zhì)類(lèi)型及土體運動(dòng)形式，包括軸向、橫向及豎向土彈簧，軸向土彈簧反映了土體與管道間的軸向作用力及位移關(guān)系，橫向及豎向土彈簧反映了土體與管道的橫向作用力與位移關(guān)系。

以某受滑坡影響的山地管道為例，管材X60，管徑475 mm，壁厚7.1 mm，管頂埋深1.5 m，管道周?chē)�土壤�?lèi)型為松散砂土。土體位移方向與管道軸向垂直，即橫向滑坡，滑坡區寬100 m，滑坡位移2 m。有限元模型計算總長(cháng)500 m，滑坡區位于200～300 m處，如圖 3所示。

有限元分析得到管道的應力分布情況如圖 4及圖 5所示。從圖 4可以看到，在滑坡體與滑床過(guò)渡位置為應力突變處，管道A、B側的應力均發(fā)生了由受拉應力到受壓應力的轉變，該處位置是管道的危險段，如果管道的變形較大，可能會(huì )在該處發(fā)生斷裂。圖 5為從管道B側提取得到的軸向應力分布情況，從圖中可以看到，應力在滑坡體與滑床過(guò)渡位置發(fā)生顯著(zhù)變化。最大壓應力位于滑床區域，其值為200 MPa，最大拉應力位于滑坡體內，其值為528 MPa，此應力已經(jīng)超過(guò)管道屈服強度，發(fā)生塑性變形，應采取必要的措施降低管道受到的應力。

                              

2  增強山地管道本質(zhì)安全

山地管道易遭受地形地貌、不良地質(zhì)條件等外部因素的影響，改善管道抵御外部危害的能力，有利于增強山地油氣管道本質(zhì)安全。

為適應地形地貌以及地質(zhì)災害頻發(fā)的特征，山地管道應具備一定應變能力，推薦采用基于應變的設計理念，即容許管道在軸向產(chǎn)生一定程度的塑性變形，利用管道的柔性緩解管道受到的應力，這種基于應變的設計方法已納入國外相關(guān)標準。據報道，我國采用這種基于應變的設計方法，解決了經(jīng)過(guò)強震、活動(dòng)斷層和凍土等復雜條件地區管道的設計與施工難題。

然而，基于應變的設計對管道環(huán)焊縫的要求較高，因為其容許管道在軸向產(chǎn)生一定程度的塑性變形，而這種軸向應變施加在管道的環(huán)焊縫上，環(huán)焊縫可能因應變能力不足而斷裂。同時(shí)，由于管道是一種典型的焊接結構，焊縫及靠近焊縫的母材及熱影響區不可避免地存在各種形式的焊接缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等，極大地影響了管道的承載能力或應變能力。近年來(lái)，發(fā)生數起因管道環(huán)焊縫斷裂失效而引發(fā)的嚴重事故也證明了環(huán)焊縫質(zhì)量的重要性。

針對高鋼級管道環(huán)焊縫斷裂問(wèn)題，筆者建立了基于應變的斷裂評價(jià)方法[5]，包括管道環(huán)焊縫局部力學(xué)性能測試、基于損傷的管道環(huán)焊縫有限元模型、管道斷裂韌性的約束校正等，定量管道環(huán)焊縫的應變能力。在基于應變的斷裂分析中，采用裂紋尖端張開(kāi)角（CTOD）作為參數描述裂紋擴展驅動(dòng)力和裂紋擴展阻力。圖 6是裂紋擴展驅動(dòng)力曲線(xiàn)，隨著(zhù)缺陷長(cháng)度2 c（分別取值50 mm、100 mm、150 mm）及缺陷深度a（分別取值0.3 t，0.4 t，0.5 t）的增大，曲線(xiàn)不斷左傾，且斜率越來(lái)越大，表明環(huán)焊縫的應變能力隨缺陷尺寸的增大而逐漸減小。

基于應變的裂紋驅動(dòng)力涉及因素較多，包括環(huán)焊縫材料力學(xué)性能、環(huán)焊縫缺陷形式以及環(huán)焊縫幾何缺陷（錯邊、咬邊等），因此，應定量裂紋驅動(dòng)力與載荷、材料力學(xué)性能及焊縫幾何特性的關(guān)系，從而定量管道環(huán)焊縫的應變能力，并優(yōu)化管道環(huán)焊縫的結構與力學(xué)參數。

3  提升山地管道安全防護水平

山區地質(zhì)災害對管道安全的影響是多方面的，為確保管道的安全運行，需要對各災害種類(lèi)的特點(diǎn)、發(fā)展演化過(guò)程和階段及其作用因素等進(jìn)行評估，并依據管道地質(zhì)災害的成災機理、影響范圍，對管道可能面臨的地質(zhì)災害采取相應的防護對策。

山地管道地質(zhì)災害防護結構包括設置擋土墻、抗滑樁、錨桿擋墻、格構錨固以及治理地下水等。對于性質(zhì)簡(jiǎn)單處于穩定狀態(tài)的地質(zhì)災害體，一般可以進(jìn)行治理，但應避免大填大挖，力求措施簡(jiǎn)單、工程量少、施工方便、經(jīng)濟合理。此外，滑坡等地質(zhì)災害治理的首要任務(wù)是排水工程，然后才是針對滑坡滑動(dòng)的主要因素、結合管道的施工條件及其他要求而采取的防治結合、以防為主的綜合治理措施。

由于管道地質(zhì)災害的形成、演化是一個(gè)長(cháng)期的過(guò)程，因而對管道地質(zhì)災害演化情況進(jìn)行監測是必要的手段。管道地質(zhì)災害的監測，是監測地質(zhì)災害體及其相關(guān)因素，判別地質(zhì)災害體的穩定狀態(tài)，并預測其未來(lái)一段時(shí)間內的發(fā)展動(dòng)態(tài)，包括地質(zhì)災害體、相關(guān)因素、管體應力與變形等的監測[6]。應根據監測目的、災害體和管道的特點(diǎn)，本著(zhù)少而精的原則選用監測內容。監測內容確定后，根據監測參數、監測精度要求、監測周期和現場(chǎng)交通、水電、通信等條件，本著(zhù)先進(jìn)適用、精度適宜、易于實(shí)施、結果可靠、經(jīng)濟合理的原則，確定所采用的監測設備和技術(shù)。

4  結論及建議

針對山地管道在運行過(guò)程中突出的安全問(wèn)題，從應力分析、本質(zhì)安全、防護結構和地質(zhì)災害監測方面提出了提升山地管道安全性的措施，并闡述了管道應力分析模型、管道環(huán)焊縫的應變能力分析方法，提出如下建議。

（1）山地管道的應力分析對于管道安全運行至關(guān)重要，應全面了解管道的應力狀態(tài)或受到的載荷，為山地管道的設計、運行維護提供依據。

（2）提高環(huán)焊縫的應變能力，進(jìn)一步開(kāi)展環(huán)焊縫裂紋缺陷產(chǎn)生和擴展機制研究，發(fā)展基于應變的斷裂理論，優(yōu)化環(huán)焊縫的匹配設計及力學(xué)性能參數。

（3）加強地質(zhì)災害防控和防護結構建設，提升管道安全水平，防止管道地質(zhì)災害的發(fā)生或限制其對管道的危害。

（4）加強地質(zhì)災害的識別與監測，建立山地管道地質(zhì)災害隱患識別系統方法，準確排查管道沿線(xiàn)地質(zhì)災害點(diǎn)，進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)監測和及時(shí)預警。

 

參考文獻：

[1] 帥健，王曉霖，左尚志. 地質(zhì)災害作用下管道的破壞行為與防護對策[J].焊管，2008(05)：9-15+93.

[2] 帥健. 管線(xiàn)力學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[3] 帥健. 管道及儲罐強度設計[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2016.

[4] 王曉霖，帥健，張建強. 開(kāi)采沉陷區埋地管道力學(xué)反應分析[J].巖土力學(xué)，2011，32(11)：3373-3378+3386.

[5] 帥健，王旭，張銀輝，等. 高鋼級管道環(huán)焊縫主要特征及安全性評價(jià)[J]. 油氣儲運，2020，39(6)：623-631

[6] 張銀輝，帥健，張航，等. 1種基于云服務(wù)平臺的滑坡管道狀態(tài)遠程實(shí)時(shí)監測系統[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2020，16(02)：124-129.

 

作者簡(jiǎn)介：帥健，中國石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院教授，博士生導師。研究方向：管線(xiàn)力學(xué)、完整性管理、油氣安全。聯(lián)系方式：13910027590，shuaij@cup.edu.cn。