天然气长输管线弹性沉降的理论研究与应用

黎志昌

（佛山市天然气高压管网有限公司，广东佛山 528000）

天然气管线的浅埋问题和露管问题都会对管线的运行安全性产生影响，相关部门要对具体问题予以具体分析，从而落实相应的处理方案，在全面且充分了解工况环境的基础上，维护天然气长输管线运行的安全性。

1 天然气长输管线弹性沉降规律研究

工程项目若是处于平坦段区域，要结合天然气管线的埋深实际距离以及暴露情况落实具体问题具体分析的机制，从而全面了解弹性沉降的规律。

1.1 差异化挠度天然气管线弹性沉降规律

结合具体情况落实相匹配的分析机制，选取挠度为0.9 m、1.2 m、1.5 m，对应的管线材质为L450M，尺寸为D610×15.9 mm，对不同情况进行具体分析，参数如下：

（1）挠度0.9 m，开挖距离为95.8 m，对应的变形应力为139 MPa。

（2）挠度1.2 m，开挖距离为118.2 m，对应的变形应力为149 MPa。

（3）挠度1.5 m，开挖距离为139.7 m，对应的变形应力为159 MPa。

结合相关数据可知，管线的挠度越小，对应的管线开挖距离也随之缩小，最大的区域是管线的中部，而在变形后相应的应力参数会极大降低，甚至低于整个管线的屈服强度，此时管线在沉降后并没有失效[1]。

1.2 浅埋或者是裸露区域管线弹性沉降规律

选取的对应管线材质为L450M，尺寸为D610×15.9 mm，应用ABAQUS完成对应有限元分析模型的设定，选定的裸露长度为50 m。利用有限元评价方法获取不同挠度下管线开挖距离以及变形应力参数，具体情况如下：

（1）挠度0.9 m，开挖距离为92 m，对应的变形应力为189 MPa。

（2）挠度1.2 m，开挖距离为115 m，对应的变形应力为204 MPa。

（3）挠度1.5 m，开挖距离为138 m，对应的变形应力为216 MPa[2]。

结合数据可知，挠度和管线开挖距离之间形成了正比例关系，与浅埋或者是裸露相比，统一挠度情况下，管线沉降后的应力参数相差也较小，管线未失效。

1.3 不同管线尺寸对管线弹性沉降的影响

材质依旧为L450M，对应尺寸选取三个对象，分比为D610×15.9 mm、D610×12.7 mm、D610×11.9 mm，选取0.9 m、1.2 m、1.5 m为挠度对照，参数如下：

（1）管线尺寸为D610×11.9 mm。①挠度0.9 m，开挖距离95.8 m，对应的变形应力为139 MPa。②挠度1.2 m，开挖距离为118.2 m，对应的变形应力为149 MPa。③挠度1.5 m，开挖距离为139.7 m，对应的变形应力为159 MPa。

（2）管线尺寸为D610×12.7 mm。①挠度0.9 m，开挖距离97.8 m，对应的变形应力为156 MPa。②挠度1.2 m，开挖距离为119.5 m，对应的变形应力为166 MPa。③挠度1.5 m，开挖距离为140.3 m，对应的变形应力为175 MPa。

（3）管线尺寸为D610×15.9 mm。①挠度0.9 m，开挖距离99.2 m，对应的变形应力为165 MPa。②挠度1.2 m，开挖距离为120.5 m，对应的变形应力为175 MPa。③挠度1.5 m，开挖距离为141.8 m，对应的变形应力为184 MPa[3]。

结合对应的参数可知，管线尺寸越大相应的开挖距离也就越大，随之产生的管线沉降后应力参数也增大，尽管在1.5 m挠度时达到184 MPa，但是依旧没有超出管线的屈服强度，管线未失效。

2 天然气长输管线弹性沉降分析

2.1 软件系统

为了确保能对天然气长输管线弹性沉降情况予以系统分析，要应用ABAQUS软件系统，在完成静态分析、准静态分析、瞬态分析的同时，还能对碰撞冲击、屈服以及断裂等情况予以核查，从而建立有限元分析模型，确保结果的准确性。在具体分析中，应用ABAQUS就是为了建立完整且有效的仿真分析模型，从而对不同开挖状态下沉降管道变形情况和应力变化予以分析。

2.2 有限元分析

结合实际情况建立单元模型，能有效提升计算精度，匹配ABAQUS软件分析模型，就能对没有达到验收规范或者是后期人为破坏的管线进行力学模型的分析，将管线简化为拱形弧线（图1），从而落实相应的分析模式。

图1 简化示意图

图中h表示拱高，就是指天然气长输管线的偏移距离；L表示弧线的水平距离，也就是整个工程项目的开挖距离。在L达到一定数值后，管线就必然会受到重力作用出现对应的沉降，要应用有限元分析模型计算开挖长度变形情况以及内部应力参数，从而完成不同挠度情况下的开挖距离[4]。

按照“建立管道部件—定义材料属性—创建截面—装配部件—建立分析元—定义边界—划分网格—建立作业—求解—计算结果—输出沉降距离和变形应力参数”的流程完成有限元分析。

3 天然气长输管线弹性沉降管道力学分析

本文以KF到ZZ某天然气长输管线施工项目为例，由于施工中操作人员的不良操作，后续成品保护工作不到位，造成管线出现了200 mφ377×9的管线外露，对管线的安全产生影响，需要施工部门结合实际情况落实对应的沉降处理工作。

3.1 判定计算条件

在实际计算分析工作开始前，要将作为研究对象的管道视为弹性支梁结构，对于长输管线结构而言，一般都具有较长的特点。若是将某一段落实开挖处理从而建立取土沉降，就要设定为双向伸梁结构，外伸的长度近似设计为无限长。并且，多数管道本身就是直埋处理，所以支座就设定为弹性支座[5]。

需要注意的是，若是将管道视为荷载受力均匀的筒支梁结构，不仅要保证最大的弯矩所处的截面维持平均剪应力，还要确保在管道出现塑性变形的时候，整个管道依旧能维持稳定性。

3.2 计算分析

在计算过程中，管道内径数值、外径数值、沉降管道段的长度都是固定数值，并且能匹配管道焊缝等参数完成计算。

（2）强度数值计算，若是应用的钢管，且本身是塑性材料，所以要按照第三强度理论完成分析，得出Sr3，并且利用第四强度理论计算对比数值Sr4，若是Sr3大于Sr4，要想提升整体输气管道的安全性和运行稳定性，就要借助强度理论分析的方式。

（3）利用[M]=Wx[Sr3]计算钢管截面的允许弯矩，利用计算管道的荷载，若是[M]小于M，则要依据[M]的具体情况计算对应的挠度，若是[M]等于M，则按照q为8 m/L2完成荷载参数的计算。

本案例中，截面形芯的位置是Y1=Y2=188 m，利用对应的计算公式得出[M]为241 285.8 Nm，而对应的M数值为3 262 161 Nm，弹性沉降的挠度为126.89 cm[7]。

3.3 完善施工流程

在完成对应计算分析后，就要依据实际情况落实匹配的施工方案，确保能减少安全风险和隐患问题，最大程度上提高天然气管线应用管理的综合水平。

（1）相关部门要落实现场开挖工序，结合计算获得的挠度数值以及管道在实际应用中下沉后的曲线参数，落实匹配的放线挖沟处理，并且间隔10 m位置就设置原土的土墩。需要注意的是，相关施工部门要关注管道目前的应用情况以及管道周围的土地情况。

（2）在开挖操作中，针对已经被破坏的防腐层要予以关注，借助沥青玻璃丝布完成局部的防腐控制，有效提升其应用效率。

（3）要集中拆除管道下方的原土墩结构，确保现场专业技术人员能统一指挥操作，结合曲线的变化情况从中心位置向两侧位置同时操作，提升应用方案的合理性。

（4）因为管道本身是弧形，所以，沉降量控制在1.45 m左右。

（5）结合现场环境分析和数据提取后可知，管道位置较为特殊，因此，配置了配重块，结合管道自重、管道防腐层重量、天然气浮力、水中浮力等计算出每200 m的位置设置总配重为5 500 kg。因为工程项目采取的是钢筋混凝土块，结合具体施工管道要求分配重量[8]。

3.4 注意的问题

为了保证天然气管线沉降处理工作的合理性，也要对具体方案的应用流程予以关注，切忌盲目处理，而是要结合具体情况落实匹配的设计方案。

（1）技术部门要对管道的具体埋设情况予以分析，尤其是弯头以及折点位置等，避免弹性沉降数据计量的单一性。

（2）要对埋设区域的水位情况予以全面调研分析，若是水位较高，则要结合实际情况落实具体的管道配重控制，而配重的参数要考量自身重量、浮力、管内天然气浮力等具体参数。

（3）要对隐蔽工程予以重视，其中，土建施工、光缆电缆施工等都会对具体操作方案产生影响，并且，要着重分析埋深参数等。

4 结束语

在天然气长输管线弹性沉降分析工作中，要结合具体情况落实相匹配的分析方案，并且计量对应参数，有效避免安全问题受到影响，结合沉降规律和有限元分析工作优化参数处理效率，为工程项目综合应用水平的提升奠定坚实基础，在满足经济效益、环保效益基础上，促进天然气产业可持续发展。