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(zāi)害頻發(fā)，不僅給山地管道施工建設(shè)帶來極大困難，也給后期運(yùn)行維護(hù)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。從應(yīng)力分析、本質(zhì)安全、防護(hù)結(jié)構(gòu)、災(zāi)害監(jiān)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(yīng)力狀態(tài)、提高環(huán)焊縫的承載能力或應(yīng)變能力、提升防護(hù)結(jié)構(gòu)安全水平、加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害識別與監(jiān)測等，為山地管道的設(shè)計、運(yùn)行維護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：山地管道；地質(zhì)災(zāi)害；應(yīng)力分析；本質(zhì)安全

油氣管道的運(yùn)行安全與其敷設(shè)所處環(huán)境密切相關(guān)。我國屬于多山國家，隨著管道建設(shè)的日益增多，管道不可避免地要經(jīng)過山地區(qū)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(xiàn)復(fù)雜狀況。同時，山地具有地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的特點(diǎn)，常見的地質(zhì)災(zāi)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(yán)重的安全事故。

圖 1為臨近道路施工誘發(fā)山體滑坡，開挖后的管道發(fā)生明顯移位。圖 2為某管道山地敷設(shè)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(jié)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(yán)重的載荷作用；二是管道的應(yīng)變能力不足，土體擾動即可能導(dǎo)致管道失效；三是管道的防護(hù)結(jié)構(gòu)（如擋土墻等）保護(hù)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(hù)作用。

為適應(yīng)山地地貌、地質(zhì)特征，從管道的應(yīng)力分析、本質(zhì)安全、防護(hù)結(jié)構(gòu)和災(zāi)害監(jiān)測等方面提出改進(jìn)措施，提升山地管道的安全性，預(yù)防事故發(fā)生。

1  準(zhǔn)確分析山地管道載荷

與平緩地形敷設(shè)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(yīng)力分析帶來困難[2,3]，加之不良地質(zhì)條件的存在，可能使管道受到復(fù)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(shè)段管道受到的載荷大小，準(zhǔn)確分析管道的應(yīng)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(yīng)力分析的準(zhǔn)確性，制定合理的分析流程就尤為重要。以下管道應(yīng)力分析流程，典型地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、斷層、崩塌、泥石流等均適用。

（1）調(diào)查與勘測。確定管道的現(xiàn)場地質(zhì)情況、地形地貌、敷設(shè)參數(shù)、管輸介質(zhì)及運(yùn)行參數(shù)等。

（2）確定工況條件。包括土體移動、影響范圍及管土作用等情況的分析與預(yù)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(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)。

（4）極限狀態(tài)判別。針對不同類型地質(zhì)災(zāi)害，采用合適的管道極限狀態(tài)判定準(zhǔn)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(zhǔn)則確定管道的安全狀態(tài)，建議采取維護(hù)或防治措施。如有必要，針對維護(hù)或防護(hù)措施進(jìn)行驗算，確保維護(hù)或防治措施的可靠性。

山地管道的力學(xué)行為往往是復(fù)雜的，采用解析計算方法較難處理此類問題，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，通過彈簧的剛度及自由度反映土質(zhì)類型及土體運(yùn)動形式，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，管道周圍土壤類型為松散砂土。土體位移方向與管道軸向垂直，即橫向滑坡，滑坡區(qū)寬100 m，滑坡位移2 m。有限元模型計算總長500 m，滑坡區(qū)位于200～300 m處，如圖 3所示。

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

2  增強(qiáng)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(qiáng)山地油氣管道本質(zhì)安全。

為適應(yīng)地形地貌以及地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的特征，山地管道應(yīng)具備一定應(yīng)變能力，推薦采用基于應(yīng)變的設(shè)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(yīng)力，這種基于應(yīng)變的設(shè)計方法已納入國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)報道，我國采用這種基于應(yīng)變的設(shè)計方法，解決了經(jīng)過強(qiáng)震、活動斷層和凍土等復(fù)雜條件地區(qū)管道的設(shè)計與施工難題。

然而，基于應(yīng)變的設(shè)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(yīng)變施加在管道的環(huán)焊縫上，環(huán)焊縫可能因應(yīng)變能力不足而斷裂。同時，由于管道是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)，焊縫及靠近焊縫的母材及熱影響區(qū)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(yīng)變能力。近年來，發(fā)生數(shù)起因管道環(huán)焊縫斷裂失效而引發(fā)的嚴(yán)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)焊縫斷裂問題，筆者建立了基于應(yīng)變的斷裂評價方法[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(yīng)變能力。在基于應(yīng)變的斷裂分析中，采用裂紋尖端張開角（CTOD）作為參數(shù)描述裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力和裂紋擴(kuò)展阻力。圖 6是裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力曲線，隨著缺陷長度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，曲線不斷左傾，且斜率越來越大，表明環(huán)焊縫的應(yīng)變能力隨缺陷尺寸的增大而逐漸減小。

基于應(yīng)變的裂紋驅(qū)動力涉及因素較多，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(yīng)定量裂紋驅(qū)動力與載荷、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(yīng)變能力，并優(yōu)化管道環(huán)焊縫的結(jié)構(gòu)與力學(xué)參數(shù)。

3  提升山地管道安全防護(hù)水平

山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害對管道安全的影響是多方面的，為確保管道的安全運(yùn)行，需要對各災(zāi)害種類的特點(diǎn)、發(fā)展演化過程和階段及其作用因素等進(jìn)行評估，并依據(jù)管道地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)理、影響范圍，對管道可能面臨的地質(zhì)災(zāi)害采取相應(yīng)的防護(hù)對策。

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

由于管道地質(zhì)災(zāi)害的形成、演化是一個長期的過程，因而對管道地質(zhì)災(zāi)害演化情況進(jìn)行監(jiān)測是必要的手段。管道地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測，是監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害體及其相關(guān)因素，判別地質(zhì)災(zāi)害體的穩(wěn)定狀態(tài)，并預(yù)測其未來一段時間內(nèi)的發(fā)展動態(tài)，包括地質(zhì)災(zāi)害體、相關(guān)因素、管體應(yīng)力與變形等的監(jiān)測[6]。應(yīng)根據(jù)監(jiān)測目的、災(zāi)害體和管道的特點(diǎn)，本著少而精的原則選用監(jiān)測內(nèi)容。監(jiān)測內(nèi)容確定后，根據(jù)監(jiān)測參數(shù)、監(jiān)測精度要求、監(jiān)測周期和現(xiàn)場交通、水電、通信等條件，本著先進(jìn)適用、精度適宜、易于實(shí)施、結(jié)果可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則，確定所采用的監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)。

4  結(jié)論及建議

針對山地管道在運(yùn)行過程中突出的安全問題，從應(yīng)力分析、本質(zhì)安全、防護(hù)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)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(yīng)力分析模型、管道環(huán)焊縫的應(yīng)變能力分析方法，提出如下建議。

（1）山地管道的應(yīng)力分析對于管道安全運(yùn)行至關(guān)重要，應(yīng)全面了解管道的應(yīng)力狀態(tài)或受到的載荷，為山地管道的設(shè)計、運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。

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

（3）加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防控和防護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)，提升管道安全水平，防止管道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生或限制其對管道的危害。

（4）加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的識別與監(jiān)測，建立山地管道地質(zhì)災(zāi)害隱患識別系統(tǒng)方法，準(zhǔn)確排查管道沿線地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，進(jìn)行全面、實(shí)時監(jiān)測和及時預(yù)警。

參考文獻(xiàn)：

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

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

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

[4] 王曉霖，帥健，張建強(qiáng). 開采沉陷區(qū)埋地管道力學(xué)反應(yīng)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[J]. 油氣儲運(yùn)，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(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2020，16(02)：124-129.

作者簡介：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(dǎo)師。研究方向：管線力學(xué)、完整性管理、油氣安全。聯(lián)系方式：13910027590，shuaij@cup.edu.cn。