摘 要：各种类型的地质灾害严重影响埋地油气管道的服役年限。为此，采用经典力学中的弹塑性地基模型和winkler弹性地基模型进行理论建模，根据工程实际情况结合两种模型各自的优点，构建有限元实体模型，并选择冲沟引发管道悬空为研究对象进行仿真计算，得到悬空管道结构与强度、刚度之间的定量关系；进而提出了通过减小重量变动，改变材料组成及结构，来提高悬空管道抗弯性能的技术思路，即借鉴碳纤维材料强固技术提升钢筋混凝土梁柱的抗弯曲和抗剪切能力的经验，设计管道的强固结构。在此基础上，综合分析管道悬空力学模型的理论数据和工程相似性。结果表明：①使用碳纤维材料来强固管道结构，可以改善管道抗弯和抗剪切能力，并且可开展实验进行定量研究；②碳纤维强固技术在管道设计与施工阶段的运用，可作为地质灾害下管道延寿工程的源头治理方法之一。
关键词：地质冲沟 油气管道 悬空管道 弹塑性地基 Winkler弹性地基 碳纤维强固 延寿
A mechanical model and life extension analysis of the suspended pipelines under the condition of geological gulch
Abstract：Various types of geological disasters will seriously affect the service life of buried oil and gas pipelines．To this cnd，the base and Winkler type elastic foundation models were used for theoretical modeling．Based on the actual situation and characteristics of the said two models，we got a quantitative relationship between the suspended pipeline structure and strength＆rigidity by establishing the finite element solid model and selecting the pipeline suspension caused by geological gulch as the study object to carry out simulation．Then，we put forward a technical scheme to improve the bending resistance performance of the suspended pipeline by reducing the weight change and changing the composition and structure of materials．Therefore，we designed the pipeline reinforcing structure by using the carbon fiber reinforced plastic(CFRP)for reference to enhance the bending resistance and shear resistance capacity of reinforced concrete beams and columns．Moreover，we also made a comprehensive analysis of the theoretical data and engineering similarities of the suspended pipeline mechanical model．The results showed that carbon fiber is useful in reinforcing the pipestructure，thus improving the pipeline bending and shear resistance and making it possible for the quantitative research via exDeriments．In conclusion，the application of CFRP to pipeline design and construction stage can be regarded as one of the source control methods for pipeline service life extension engineering in case of geological disasters．
Keywords：geological gulch，oil&gas pipeline，suspended pipeline，elastic plastic foundation，Winkler elastic foundation，carbon fiher reinforced plastic(CFRP)，service lire extension
在石油储运行业，每年因高压油气管道材料的提前损伤和提前失效而频繁出现的重大事故，给国家能源战略安全、企业生产安全和人民群众的生命财产安全造成不可估量的损失。十年来国内能源需求不断增加，国家进行了西气东输、北气南下等一系列工程项目建设，管道里程数不断增加，油气管道的延寿分析已势在必行。
油气管道延寿是指[1]：针对管道在使用中存在的质量较差、性能较低、寿命较短、缺乏使用的可靠性、安全性和耐久性的具体表现、危害及根源，追溯所使用结构及材料提前失效的原因，并提出相应地解决方案及对策，建立管道全寿命控制技术，对管道的服役行为进行前瞻性的预测与控制[2]，促使管道从“末端治理”向“源头治理”转变。
油气管线是涉及多区域的复杂工程，所经包含高山、险滩、丘陵、盆地、高原等区域。特别是长输高压管线，服役环境极为恶劣，破坏形式也更加多样。从国内多条干线长输管道的运营来看，主要地质灾害破坏形式为：滑坡、冲沟、塌陷、崩塌等。全长超过4000km的西气东输主干管线，沿途经过两部的青藏高原和黄土高原、中部的太行山脉、东部的皖苏丘陵平原和长江三角洲等地区，近年来因滑坡地质灾害引起：33处冲沟、l59处塌陷和61处崩塌等。地处西部的长庆油田所下辖的管道大多埋设于黄土土质以下，易出现冲沟破坏，导致管线大段裸露悬空。陕北靖边县青阳岔镇至子长县安定镇间管段沿线的冲沟灾害尤为严重，1994年5月长庆油田下辖的元一悦管线因洪水冲毁逾26处，且多处发生悬空拉断，其中一处冲沟长50m、宽8m、深2.5m，对整条管线的安全构成极大的威胁[3]。
以自然环境对结构及材料的影响为出发点去研究地质灾害与油气管道延寿，采用物理模型、力学模型结合有限元仿真技术定量分析管道结构的力学行为，把优化结构作为管道寿命控制的技术关键，采用碳纤维强固法作为管道加强措施，提高在冲沟条件下悬空管猎的安全性。
1 冲沟灾害下悬空管道的力学模型
冲沟破坏是埋地管道常见的地质灾害形式，由流水冲刷黄土和地层沉陷综合所致，在短时间内导致管道的悬空拉断，对管道的破坏是严重的。冲沟环境下的管道悬空模型是一种典型的地质灾害模型。
1．1 弹塑性地基分析模型
敷设地下管道的土壤地基出现冲沟时，因流体冲刷作用，使冲沟段管道完全裸露悬空且裸管表面无覆土，而裸管沿轴向两端仍埋于土壤中，受未损地基的支撑。没有预先设置固定墩的埋地管道，出现冲沟破坏的位置具有随机性，可将整个冲沟破坏的相关管段等效为无固定墩的弹塑性地基梁模型[4-7](图1)。
悬空段L：受埋地段两端的拉伸、悬空与埋地过渡处下滑土的剪切、输送介质重量和管道白重等力的作用。通过力学等效简化，该段为当量轴向力(S0，)、弯矩(M0)，剪力(Q0)、上部均布载荷(q)作用的大挠度梁。
埋地段：因假定土质近均匀、模型受载变形近对称，所以取悬管最大挠度处的对称线C-C以左部分的埋地段进行分析。埋地段地基等效为弹性模型段L2和L3，并将其简化刚度系数为K、最大支撑反力为F的土弹簧，土弹簧地基弹塑性的分界点为w0＝F／K。当土体变形量w>w0时，地基为塑性(L2)，支撑反力为Kw0符合弹塑性假定；当土体变形量w≤w0时，地基为弹性(L3)，支撑反力为Kw，符合Winkler假定。此段管道受回填土重量、管道自重和输送介质重量三者叠加而成的均布载荷q1，受管道温差、输压、管轴方向的回填土阻力和来自悬空段管道的拉伸力共同作用而引起的当量轴向力，及弯曲而产生的弯矩和由埋设悬空的状态转变而产生的剪力。
等效弹塑性地基模型综合了多种影响因素，体现了管道的几何非线性和土壤的物理非线性。在针对管道沉陷、冲沟和塌陷等多种力学模型中，弹塑性地基模型是相对接近实际的。但是，弹塑性地基模型因其综合因素多而致使其解析表达式复杂，寻求解析解难度较大。因此，工程上在对悬空管道力学行为进行分析时主要采用Winkler地基模型或《现役管道的不停输移动推荐做法》，而较少使用弹塑性地基模型。本文主要目的是为了得到管材结构与受力之间的关联性，要求计算结果在可信区间内能解释工程问题，选用Winkler地基模型可较大程度的简化计算。
1．2 Winkler弹性地基计算模型
选用Winkler地基模型建立庆咸输油管线冲沟处悬空管段力学模型和解析表达式，针对事故管段(包括悬空挠曲段和埋地段)，作如下力学假设：
1)土壤体为弹性体，过悬管段管相对于最大挠度处C-C对称。
2)冲沟宽度小于50m，不考虑管道轴向力，不考虑管道施工和运营之间的温度差，忽略输送介质的动荷载和内压，忽略风载。
3)土基用弹簧代替。
4)管道无缺陷。
图2为模型简图，与弹塑性地基模型相比，埋地段影响区为弹性变形区(无塑性变形)。管道变形前轴线为x轴，y轴过对称中心，管道各截面的y坐标值为对应部分的管道挠度，任意截面的转矩为M，M0和Q0是管道悬空段与埋地段交界处的弯矩和剪力。利用Winkler假定，通过悬管长度(L)、埋地管长(L1)、悬空段载荷(q)(管自重和介质重)、埋地段载荷q0(图3中上覆土重q土＝H·L·D·r土·g、管自重、介质重)、已知地基系数(K0)，在对管道两端固支的情况下求管道各微段的挠度(y)、转矩(M)、竖直剪力(Q)值[8-10]。
BC段微分方程：
式中1为管道截面惯性矩，K0为地基系数，D为管道外径，E为钢材的弹性模量。可推导出：
AB段微分方程：
可推导出：
利用B处的边界条件以及变协调方程求得：
2 庆—咸输油管线冲沟段有限元分析
庆—咸输油管线某处发生冲沟破坏致使管道悬空近30m，管段埋深1.5m，X70管材，规格Æ1016mm×17.5mm，E为210GPa，m为0.3。ss为485MPa．sb为565MPa，钢材密度7850kg／m3，钢管自重9900N／m，单位长度管道上方土壤重25400N／m，土密度为l700kg／m3，土弹簧刚度(K)为5.032×106。
建立有限元物理模型时，将埋地管段所受到土壤支反力用一定间距的若干根弹簧代替，弹簧与管下表面呈点一面接触。合理选取埋地管段长度，使管模型两端不受悬空段的影响，从而实现管两端的固支模型，一般工程上取单侧埋地段长度为悬空段长度的l／2，这时管两端可近似为固支[10](图4)。
1)图5、6表示了现场实际悬空长度为30m时，应力和挠度沿管线的分布情况，可见Mises应力和竖直方向应力在±15m处最大，而最大挠度出现在模型C-C处，也就是悬空水平对称处。
悬空30m时，仿真结果如图7，在沿管轴方向(图中x方向)的对称中心处管道变形位移最大，在两固支端、埋地与悬空的过渡处、对称中心处应力集中较明显，沿竖直方向(图7中y方向)管道上部应力集中比管道下部明显，最大应力为230MPa，小于屈服极限485MPa，所以管道处于安全范围内。
2)保持其他工况参数不变，改变悬空长度分别为35m、40m、45m、50m、55m、60m时，汁算管道最大应力、弯矩和挠度(见图8～10和表l)。可见：截面A处挠度最大，截面B处剪力最大，管道易在截面B处发生剪力破坏。当悬空长度为55m时，管道已接近失效上限，仍处于安全范围。60m时，管道最大应力大于485MPa，此时管道失稳，超出安全极限，理论上已失效。
3)以上工况，把管道壁厚分别改变为15.5mm、16.5mm、18.5mm、19.5mm，计算管道最大Mises应力的变化情况(图11)，最大Mises应力随壁厚的增加而下降，安全裕度随壁厚增加而升高。为此，管道壁厚的增加量不能太大，若壁厚过大，为保持管道质量不变，必须减少管径，这会影响管道输量；若要保持管道内径不变，壁厚增加太多，势必使单位管段的耗材和质量剧增，以至管道竖向受力增大。本文仅对管道壁厚作适度调整以观察受力与管材结构变化的关联性，为碳纤维强固提供理论依据。碳纤维质量小于钢管，自身抗拉能力强，对擘厚影响较小，这些特点可满足上述分析的需要：即重量变动不大、适当改变材料组成及结构、提高抗弯能力。
3 管道碳纤维强固的延寿设计
纤维强固材料(Fiber Reinforced Plastics，FRP)括：碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)和芳纶纤维(AFRP)，碳纤维平均抗拉强度为4210MPa(相当于碳素钢的l0倍)，平均弹性模量为235×109MPa(与钢材接近)，热膨胀系数与钢材相仿，耐腐蚀、抗老化、耐温、抗蠕变能力较好，且厚度小、质量轻、层间剪切力高、稳定性好、缠绕方式灵活易操作，大量应用于航天、兵器、建筑和化工领域，表2列举了3种碳纤维布[11]性能。
3．1 管道强固的目的
碳纤维强固技术在建筑行业应用较为广泛，辛要用以提高梁柱结构的抗弯、抗剪能力。存石油工程领域，管道强崮于20世纪90年代以后兴起于美国，目前此项技术主要用于油气管道破损(裂纹、点蚀)的修补，以平衡管道内压，防止管道环向应力集中。而在管道设计与施工阶段，专门针对平衡管道弯曲和提高管道抗拉能力为目的而应用此项技术还很少。为此，在管道设计与施工阶段，针对易发生冲沟破坏的管段进行材料与结构的设计改进，可将CFRP布粘贴于埋地管道与上基接触的下半圆周面，以提高管道竖向抗弯能力。对于已预先经过碳纤维强固处理过的管道，可增加管段出现悬空时的安全悬空长度，增大安全裕度，提升管材的安全可靠性，从而延长管道寿命。
3．2 管道强固的结构优化
碳纤维材料的多项力学指标优于钢材，图l2为碳纤维布粘贴在管道下半圆周面示意图。用间距分布的环形碳纤维箍条周向预紧粘贴，箍条有助于防止下部碳纤维布剥离管道，同时在预紧力的作用下使碳纤维布与管道粘贴更紧密，且使强固材料对管道有了一定的拉力。参考相关实验结果[12]，管道上半圆周表面可不粘贴强固材料，合理布置下半圆周强固材料，实际上间接增加了下半圆周管道的壁厚。上述碳纤维强固措施对管道整体均匀性和结构对称性是负面的，但从前面力学分析可知，这种措施使管道整体力学性能得到优化，因此这种负面影响是可以忽略的。碳纤维材料是从两个方面实现管道力学性能优化的：①管材结构(壁厚)；②碳纤维材料自身抗拉伸性能。
4 结论与展望
通过对在役埋地油气管道的地质灾害调查与统计，选择冲沟引发管道悬空为研究对象，采用经典力学中的弹塑性地基模型和Winkler弹性地基模型进行理论建模，构建有限元实体模型并进行仿真计算，得到管道结构参数与相关力学参数之间的关系。结合工程相似性分析(钢筋混凝土梁柱的抗弯曲和抗剪切)，通过碳纤维强固使管道结构的抗弯抗剪力学性能得到优化，这种方法可有效应用于管道结构设计与施工。
1)有别于传统的“事后处理”的治理思想。该文将管道服役寿命的控制重点放在设计和施工阶段，从源头上治理地质灾害对管道的破坏。在管道设计与施工阶段，碳纤维强固技术可作为地质灾害环境下管道延寿工程的源头治理方法之一。
2)在力学模型的选用上根据工程实际结合弹塑性地基和Winkler弹性地基各自的优点，避开了单纯应用弹塑性地基模型的繁琐计算。
3)借鉴了采用碳纤维强固技术提升钢筋混凝土梁柱的抗弯曲和抗剪切能力的经验，将碳纤维强固技术应用于油气管道抗弯曲和抗剪切性能的改进，而不局限于现有油气管道工程中此技术只用于提升管道抗内压能力的管道修补[13]。
4)碳纤维强固法优化改善管道抗弯强度还需大量的实验支撑，后续工作尚需进一步深入。
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本文作者：张鹏 魏群 崔立伟 龙晓丹
作者单位：西南石油大学土木工程与建筑学院
西南石油大学机电工程学院
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