落石冲击载荷作用下大口径埋地管道应变规律研究

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1、综述石P油化工设备技术，2011，32(5)·26·etro—ChemicalEquipmentTechnology落石冲击载荷作用下大口径埋地管道应变规律研究聂肖虎，刘传奇，朱秀星(1．中国石化管道储运公司襄樊输油处，湖北襄阳441002；2．中国石油大学(华东)工程力学系，山东东营257061)摘要：针对大口径薄壁埋地管道在冲击载荷作用下易发生弯曲失效的问题，基于管土耦合分析模型，采用有限元数值仿真技术模拟了冲击载荷作用下埋地管道的动态响应，分析了大口径薄壁管的截面椭圆化变形与应变分布，以应变准则为依据校核管道安全性。

2、在此基础上，探讨了管道埋深、径厚比、冲击载荷、管沟填充土等工程参数对管道应变的影响规律。研究表明，增大管道埋深，提高管道径厚比，减小落石冲击速度，回填土采用粘性较大的软质土等能够减小管道应变，研究所得规律对于大口径薄壁管道抗灾设计与防治措施制定有指导意义。关键词：埋地管道冲击栽荷有限元在西气东输、川气东送等长输管道工程建设较少。本文基于管一土耦合理论及有限元分析技中，管道的敷设不可避免要经过滑坡、泥石流等自术，采用有限元软件ABAQUS，以薄壁壳单元建然灾害高发地段，而长输管道中广泛应用的大口立管道模型，通过接触对的应用模

3、拟管土耦合作径薄壁钢管(1016×21mm、1219x22mm)用，建立了有限元分析模型，并实例模拟了落石冲限于自身结构的特点，在灾害作用下易发生屈曲击作用下大1=1径埋地钢管(X7O，西1016×21mm)失效，严重影响管道的正常运行。的力学响应，分析了管道的截面大变形及应变分崩滑岩(土)体的形成机理与运动形式方面的布。在此基础上，以应变极限准则为标准校核管研究已相对成熟，而埋地管道受冲击载荷作用是道强度，探讨埋深、径厚比、冲击载荷、管沟填充土复杂的非线性接触问题，理论求解比较困难。随等工程参数的影响规律，为管道抗灾设计

4、提供指着计算机技术的发展，有限元、边界元、离散元等导意见。理论的不断完善，采用数值模拟的方法研究此类1管一土耦合理论及有限元问题已被普遍接受。研究的难点在于对管一土耦1．1大口径薄壁管道的处理合模型的处理，刘爱文_1](2002)采用非线性土弹由于管道壁厚尺寸远小于其他两个方向的尺簧处理管土相互作用；G．Cocchettil2(2004)等采寸，约为1／50。采用有限单元法，将管道进行有用弹塑性的“宏单元”，代替土弹簧；Francesco_3限剖分，在单元的选择上，为避免实体单元各方向(2004)等采用离散元模拟管土接触，

5、土体用球形长度比例引起的单元奇异，则需引入大量单元，不颗粒模拟；Claudio_4等(2006)管土接触加入接触仅增加计算时间，而且计算误差也有所增大。因单元，允许相对错动，管土摩擦角为土体内摩擦角而，管道采用将厚度简化于截面属性的壳单元，减的2／3，土体采用M—C模型；荆宏远_5(2007)采少计算时间，提高计算精度(管道剖分与单元如用有限元软件ANSYS／LS—DYNA数值模拟，管图1所示)。此外，由于管道将发生较大弯曲变道与周围土体之间的接触定义为自动面一面接触；邓学晶(2009)等采用离散元软件3DEC模拟，收稿日

6、期：2011-03—3O。管道采用Liner单元，管沟填土采用M—c模型。作者简贪：聂肖虎，男，1992年毕业于中国石油大学(华东)目前，关于滑坡灾害引发落石冲击埋地管道化工设备与机械专业，现在从事油气管道储运管理与抢修工导致管道失效的研究中，针对大口径薄壁管道特作，工程师。已发表论文2篇。点分析，管道截面椭圆化变形与应变分布的文献Email：niexh5@163．CON石油化工设备技术其中，C8D4为线性显式三维应力单元，S4R现破坏。曲线在0．08S处出现波动是管道上壁为四节点缩减积分的壳单元。同时采用质量缩放土体出现

7、塑性变形，土体作用力减弱导致。来减小计算时问。2．2载荷施加埋地管道所受载荷主要是落石冲击产生，忽略土体自重等次要因素的影响。分析落石垂向冲击埋地管道情形，以冲击落石垂向10m／s作为模型荷载。2．3结果分析时问冲击过程中，冲击中心土体应力始终保持最图6管道中心上壁节点竖向位移曲线大，Mises应力以圆环形向四周扩散，原管土接触面变成长轴为水平向的不规则椭圆形，图4为冲击发生0．02S后土体中间截面的应力分布图。管道最大主应变点为管道上壁中心点，应变等值线沿纵向扩散速度较横向速度大，将管道视为埋地梁，应变值与点到水平面的垂

8、直距离成正比，与所得结果相符。图5为冲击0．1S时管道应变等值云图。时fHl／~图7管道中心上壁节点轴向压应变曲线口管一土接触面是影响管道应变的一个重要因素，此接触面随时间不断变化。分离面法线与水平轴角度(逆时针为正)由大变小，直至出现负角度，后在垂直方向管土分离，随着球体的弹起，管口图4土体中间截面应