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          并行埋地敷設管道安全性影響評估技術研究

          來源: 作者: 時間:2018-7-12 閱讀:

          并行埋地敷設管道安全性影響評估技術研究

          董紹華 彭東華 邸鑫 張河葦

          中國石油大學(北京)

          摘要:管道運輸系統是現代重要的運輸系統之一,已經普遍應用于現代工業生產、城市建設以及社會各個領域。管道運輸是陸地輸送天然氣主要方式。我國中西部地區地形復雜,管道走廊用地緊張,多條管道不可避免的需要并行敷設,而且在以后的管道建設中,并行敷設管段還要增加,因此就,解決并行管道建設、生產運行等方面面臨的問題,及時開展風險評價是非常必要。本文通過對管道泄漏工況的分析,模擬管道爆炸初始TNT爆炸當量,采用ANSYS -Autodyn軟件對管道爆炸沖擊進行數值模擬,結合1016mm管道敷設工況,確定物理模型參數,分析不同并行間距下埋地天然氣爆炸對并行管道的沖擊破壞效應,提出并行管道安全間距,確定其合理范圍,同時評價一條管道發生失效時對另一條管道的影響,通過并行管道的安全評價,可為管道運營和維護提供有力的幫助。

          關鍵詞:天然氣管道 并行 風險 評估 模型

          1、前言 

          管道敷設方式一般采取單根管道埋地的獨立敷設方式,但隨著經濟發展和地理環境的限制,路由緊張局面必須采取并行敷設和同溝敷設,國外俄羅斯長輸油氣管道采取并行的工程實例較多,其中有著名的俄羅斯中亞-中央輸氣管道,一線建于1967年,到1976年,四線建成。中亞-中央輸氣管道主要有四條,主要負責莫斯科的天然氣輸送。線路平均長度達到2800多公里[1]。

          近年來,我國探明天然氣儲量持續增長。因天然氣是一次性能源中相對清潔的產品,消費規模也迅速擴大。新增探明儲量主要位于鄂爾多斯、塔里木、準噶爾盆地及四川盆地。管道敷設也從單根管線發展到多條管線并行敷設、聯合運行的局面。陜京二線和三線并行段達到460公里以上,途徑很多地形復雜區域,有的地段間距不足5米,具有極高的施工難度和巡線難度。

          中亞輸氣管道并行敷設,兩管直徑均為1067mm,管線經過土庫曼-烏茲別克斯坦-哈薩克斯坦后到達中國邊境霍爾果斯,目前該項目正在實施中,線路全長為1818km。

          除此以外,輸油管道也有并行敷設的情況。例如,目前西氣東輸二線在新疆、甘肅和寧夏境內分別與已建的獨鄯成品油管道、西部管道和西氣東輸一線長距離并行敷設,同時還要考慮與正在規劃的獨烏鄯原油管道,鄯烏輸氣管道,西氣東輸三線等管道并行。此外,慶鐵線與慶鐵復線(八三管道)也是并行敷設,管道起點為大慶市林源,終點為鐵嶺輸油站,全長516.34km。 

           埋地管道不同于地上管道,其發生失效后泄漏引發管道爆炸的幾率遠低于地上管道。但由于土壤對爆炸空間的限定,埋地管道發生爆炸后,爆轟現象形成的沖擊波受到土壤持續反射作用,沖擊波超壓迅速上升,比地上管道爆炸的產生的沖擊波超壓高一個數量級。但由于土壤對沖擊波壓力和沖量的傳遞比空氣慢,因此沖擊波對并行管線的破壞是一個緩慢的過程。隨著并行間距的增加,爆炸能量逐漸被土壤吸收,沖擊波對并行管線的破壞能力也迅速下降。因此,埋地管道爆炸與地上管道爆炸相比,其對并行管線的破壞程度、作用時間、變形規律存在很大差異。

          國內有關設計標準規定了管道并行間距為6[1-2],并行管道的間距是否符合風險后果的要求,需要建立分析模型和力學仿真得到。

          本文采用有限元仿真模擬的方法,基于管土作用的TNT爆炸當量爆破沖擊能量守恒原理,合理確定邊界,解決并行管道安全間距問題,建立了量化有限元模型,使用現代爆炸力學大型有限元分析系統仿真技術,確定并行管道間距的合理范圍,同時評價一條管道發生失效時對另一條管道的影響,通過并行管道的的定量化安全評價,可管道的安全運營和入場維護提供技術支持。 

          2  并行管道數學模型

          2.1 有限元模型

          采用Autodyn軟件對管道爆炸沖擊進行數值模擬。結合1016mm管道敷設工況,確定物理模型參數,分析不同并行間距下埋地天然氣爆炸對并行管道的沖擊破壞效應。

          管道泄漏時間取=180s,轉化為TNT當量=25.74kg。初始化TNT當量球,取半徑156mm。建立二維楔形TNT爆炸模型:156mm1000mm,計算時間0.25ms?諝獠牧AirIdeal gas),管線材料Steel1006Steel4340,TNT材料狀態方程JWL,土壤材料選用CONC-35MPA,其狀態方程為P-alpha,強度模型為RHT-concrete,GAS材料基于AIR材料本構模型修改密度和內能。

          總體物理模型設置為:兩個內徑1197mm的管道并行放置在土壤中,埋深=1.5m。土壤除頂部與空氣接觸外,其余5面默認為無限邊界。兩個管道與土壤水平方向的邊界距離均保持=2m。兩管道中心間距分別設置為2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m,其中一個管道以等當量TNT球代替,見圖2.1。

           

           

          2.1 物理模型示意圖

           

          為提高計算效率,選取建立1/2管道、1/2土壤和1/4TNT球物理模型。在Workbench中建立(4m+2m2m的土壤模型,并在管道位置預留兩個圓柱孔洞。建立Pipeline模型和Gas模型,填充進土壤圓柱孔洞中,設置接觸對。

           

          2.2 workbench埋地管道模型

           

          將上述空間模型通過Explicit Dynamics模塊導入Autodyn軟件,確定Grid、Ini.Cond條件和邊界條件,修正GAS材料狀態方程參數和強度模型參數。添加AirTNT材料,建立SpaceEuler-FCT模型,覆蓋整體土壤模型。將計算后的二維楔形TNT爆炸模型remap導入Space模型。球心坐標選取原爆破并行管線的軸心。

           

           

          2.3 空間模型示意圖

           

          2.2 邊界條件及接觸

          土壤模型除地表表面外,其余5面為半無限體,均設置為Flow out邊界。土壤地面添加=0m/s約束。管道內壓為6MPa,=0端軸向位移=0m/s,見圖2.4。

          接觸對的設置同時考慮管道內部與Gas、外部與空氣的接觸。此處設置內部接觸對為trajectory接觸,保證能量守恒和動量守恒,并隨時跟蹤模型中節點與面的接觸。設置外部接觸為流固耦合,保證能量傳遞的準確性。

           

            

           2.4 邊界條件 

          為跟蹤管道管壁位移量和速度大小隨時間變化的關系,需要在管道模型上添加一定數量的Gauge點,其位置極坐標以軸為原點,每隔45°選取一系列Gauge點,見圖2.5。 

           

          2.5 Gauge點分布圖 

          3 計算結果分析

          由于埋地管道同時受管道爆炸和土壤變形擠壓作用,容易產生大變形破壞甚至出現管道壓裂現象。因此對埋地管道的失效分析不同于地上管道,須根據管道的被破壞形式分為壓裂失效和大變形破壞兩大部分。下面分別展示并行間距2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m的埋地管道受爆炸沖擊的最終計算結果,分別探討其破壞規律。

          3.1 并行間距2m

          該物理模型中的gauge點分布如下圖所示, 

           

          3.1    2m并行間距管道Gauge點分布圖 

          各系列Gauge點隨時間推移所受沖擊壓強及積分變化變化曲線圖見圖3.2?傆嬎銜r間為160ms。埋地管道發生爆炸時,近爆炸源土壤發生液化現象,沖擊超壓直接透過土壤傳遞給近距離并行管線,管道同時受爆炸超壓和土壤塑性變作用,發生大變形甚至破裂失效。



          3.2  2m并行間距各系列Gauge點壓強曲線圖 

          由圖3.2可看出,管道Z=0端所受沖擊超壓依舊大于管道Z=2m端,即管道遠離爆炸源部位所受超壓大于靠近爆炸源部位,這一點與地上管道一致,均是由沖擊波在傳遞過程中發生折射、振蕩造成的。

          系列Gauge點中均以管道尾端Gauge點所受壓強最大,且振蕩最明顯。故表1數值只用來代表各系列Gauge點所受沖擊壓強數量級,具體數值只做參考.

          1   Gauge點所受沖擊壓強超壓最值表

          Gauge

          1~5

          6~10

          11~15

          16~20

          21~25

          26~30

          31~35

          36~40

          正超壓(MPa

          425.9

          162.2

          327.4

          245.6

          354.0

          245.2

          156.2

          243.3

          負超壓(MPa

          -338.1

          -231.5

          -392.7

          -243.6

          -282.3

          -391.8

          -211.8

          -218.1

           其各系列Gauge點總位移最大值見表2。由上圖觀測到,管道最大變形位置為各Gauge points系列的起始點,所以Gauge點位移最值均選取各Gauge points系列起始點的位移值。另外,管道上各探測點的位移變化曲線呈波動現象,并非持續增長,因此這里的總位移最大值只作為探測點總變形量的一個參考值,與最終變形量無直接關系。 

          2  Gauge點總位移最大值

          Gauge

          1~5

          6~10

          11~15

          16~20

          21~25

          26~30

          31~35

          36~40

          總位移(mm

          257.4

          526.8

          461.3

          107.5

          108.2

          155.0

          243.0

          365.8

           觀察圖3.2,埋地管道所受沖擊壓力較于地上管道顯得非常平穩,與地上管道所受沖擊超壓的在正負壓之間循環波動的特征完全不同。各Gauge points系列點所受沖擊壓力變化曲線特征明顯,除每個Gauge點系列的第一點、第二點依舊呈正負相波動外,其余探測點波動幅度的正相負相界限明顯。這說明埋地管道所受沖擊壓強不僅包含爆炸沖壓,還包含土壤變形對它的擠壓力。

          3.2中,Gauge6的位移達527mm,為管道變形最大點,管道第二大變形位置為管道正面靠近頂部的部位,即與管道正對爆炸源位置呈逆時針45°夾角處。管道背面變形量整體小于正面變形量,最大值僅為155mm。管道受沖擊載荷狀況見下圖3.3。


          3.3  管道受沖擊變形過程 

          當埋地管道并行間距為2m時,管道爆炸對并行管道的沖擊破壞效應是巨大的,會迅速引起管道破裂失效。其變形原理為:爆炸源產生的高強度沖擊波對周邊土壤產生振動液化,形成爆破漏斗。土壤持續受振動沖擊產生塑性變形,該變形延伸至并行管線周圍,對管道正面進行擠壓,導致管道水平方向上繼續大幅變形。管道背面土壤受漏斗擠壓密度增大,結構趨于穩定,導致管道背面變形遠小于正面,最終引起管道破裂。變形規律為:管道起始變形位置為正面Gauge1~5部位,之后該部位持續凹陷。管道頂部和底部不斷向外延伸,管道背面受土壤作用不發生大形變。最終管道呈被壓裂狀態,破裂位置為管道頂部和底部,與最大變形位置相垂直。

          3.2 并行間距3m

          該物理模型中的gauge點分布如下圖所示,其詳細位置坐標見附錄P。

           

           

          3.4   3m并行間距管道Gauge點分布圖

          各系列Gauge點隨時間推移所受沖擊壓強及積分變化變化曲線圖見圖3.4。由前面知,埋地管道受近距爆炸沖擊產生實效現象的時間在100ms以內,這里選擇計算時間為160ms。埋地管道發生爆炸時,近爆炸源土壤發生液化現象,沖擊超壓直接透過土壤傳遞給近距離并行管線,管道同時受爆炸超壓和土壤塑性變作用,發生大變形甚至破裂失效。


          3.5   3m并行間距各系列Gauge點壓強曲線圖 

          3.5 中管道遠離爆炸源部位所受超壓大于靠近爆炸源部位,系列Gauge點中均以管道尾端Gauge點所受壓強最大,且振蕩最明顯,不能代表引起管道大變形的實際超壓值,這里只選取Z=2m端即近爆炸源端的Gauge點分析。下表為各Gauge points系列起始點的超壓最值表。

                                       3 Gauge點所受沖擊壓強超壓最值表

           

          Gauge

          1

          6

          11

          16

          21

          26

          31

          36

          正超壓(MPa

          46.6

          48.4

          165.8

          41.2

          33.7

          58.2

          93.8

          39.1

          負超壓(MPa

          -170.7

          -181.7

          -264.1

          -127.8

          -163.7

          -204.5

          -119.0

          -253.3


           

          3.6 管道受沖擊變形過程 

          3.6所示,管道破裂位置與前面理論位置一致。說明埋地管道并行間距為3m時,管道爆炸雖然不能對并行管線產生直接的超壓破壞,但爆炸引起的周圍土壤塑性變形會直接擠壓管道引起管道整體沿X軸方向移動,管道正面變形量遠大于管道背面,導致管道正面斜上、斜下部位為相對變形量最大部位,為管道破裂位置。而管道正對爆炸源位置為管道最大變形,但不是管道破裂失效位置。 

          總體來看,并行間距為3m時,埋地管道受并行管線爆炸沖擊所受到的沖擊破壞效應與2m并行間距基本一致,其失效位置均為管道正面靠近頂部和底部的部位,其失效原因均由土壤塑性變形對管道產生擠壓引起。管道最大變形均為正對爆炸源位置,失效位置與最大變形位置呈90°垂直。地下爆炸雖然促使土壤形成爆破漏斗,但由于并行間距小,漏斗不能在管道位置形成集中堆積應力,管道變形呈整體X軸負方向移動。 

          3.3 并行間距4m~6m

          埋地管道同時受管道爆炸和土壤變形擠壓作用,容易產生大變形破壞甚至出現管道壓裂現象。因此對埋地管道的失效分析不同于地上管道,須根據管道的被破壞形式分為壓裂失效和大變形破壞兩大部分。前面通過對2m、3m并行間距系列進行分析,確定在并行間距小于3m時埋地管道爆炸會造成并行管道破裂失效。本文的最終計算目的是確定管道失效后果風險分析,而管道受爆炸破壞會發生失效破裂和大變形破壞兩種風險后果。

          下圖分別展示埋地管道間距4-6米的管道受爆炸沖擊破壞形態的最終計算結果,并與間距7-8米的破壞形態計算結果相比較,根據計算結果,以不同的破壞形式對并行間距進行劃分,分別探討其破壞規律(在下一節中不再對7-8米間距的破壞形態圖進行分析和說明)。


          3.7 不同并行間距下管道最終變形 

          3.7 為并行間距。由圖可看出,并行間距在2m-3m之間時,管道受土壤水平變形擠壓,管道頂部和底部發生壓裂失效。并行間距在4m-6m之間時,管線爆炸產生的沖擊波無法直接對并行管線產生破壞,而是掀起土壤形成爆破漏斗,爆破漏斗在頸部形成土壤堆積,使土壤產生塑性變形,對管道產生擠壓作用,導致管道發生壓裂失效。并行間距達到7m后,土壤即使形成爆破漏斗,由于并行間距大,漏斗產生的土壤堆積也無法直接作用并行管線,這時管線的變形主要由周圍土壤的彈性變形力造成。這里的理論前提是將遠端的土壤看做粘彈性線性變形,該理論前面已詳細闡述,這里不再贅述。

          管道近爆炸源端變形量最大,因此取管道上各Gauge點系列的起始點位研究對象,繪制其壓強和位移曲線,見圖3.8。圖中自左到右、自上到下依次為壓強曲線圖、位移曲線圖、速度曲線圖、沖量曲線圖。

           

          3.8 6m并行間距各Gauge點參量曲線圖 

          并行間距分別為4m、5m、6m時,其所受爆炸超壓幅度和波動頻率基本一致,Gauge點位移速度梯度下降,但仍保持同一數量級。管道受沖擊沖量趨勢一致,均在t=50-100ms內階躍上升,管道變形量均在這一時間段內迅速上升。

          各點最大位移值見表3.6、表3.7和表3.9。 

          3.6    4m并行間距Gauge點位移最大值

          Gauge

          1

          6

          11

          16

          21

          26

          31

          36

          總位移(mm

          91.65

          296.92

          154.26

          171.74

          73.74

          66.28

          11.18

          16.37

           

          3.7   5m并行間距Gauge點位移最大值

          Gauge

          1

          6

          11

          16

          21

          26

          31

          36

          總位移(mm

          12.46

          51.78

          23.19

          30.51

          37.15

          99.64

          14.64

          9.93

           

          3.8   6m并行間距Gauge點位移最大值

          Gauge

          1

          6

          11

          16

          21

          26

          31

          36

          總位移(mm

          16.01

          110.75

          81.54

          69.48

          24.10

          24.26

          95.72

          73.18

           

          6m并行間距系列為例,觀察其整體變形過程,分析其變形規律。見圖3.9,圖中左邊同時顯示土壤、管道、Gas和沖擊矢量,右邊只顯示管道和沖擊矢量。

           

          3.9   管道變形過程

           

          土壤邊界條件設置為:除地表表面外,其余5面為無限邊界。=50ms時,在爆炸沖擊的不斷振蕩下,周邊土壤不斷液化凹陷,開始被向上掀起。3.8中可看出,爆炸超壓已無法直接作用于管道,管道在前50ms基本無形變。

          =100ms時,土壤已形成爆破漏斗,被掀起的土壤向上彎曲,引起X軸負方向的土壤受擠壓塑性變形,包括并行管道頂部的土壤。土壤塑性變形產生內部應力,壓迫管道引起形變。

          =120ms時,土壤持續變形,在Gauge6處形成集中應力,造成管道破裂。在管道相對位置Gauge31處,土壤受上下擠壓變形,帶動管道向內凹陷,管道變形值達95.72mm。

          120ms之后爆炸沖擊波不斷向地表擴散,總能量釋放進空氣中。但由于爆破漏斗形變速度小于爆轟波傳遞速度,沖擊波釋放完畢后,土壤仍然保持被掀起狀態,引起管道持續變形。

          以上即是并行間距6m系列埋地管道受爆炸沖擊影響的破裂失效過程。4m系列和5m系列與之類似,不再贅述。

          終上所述,并行間距為4m-6m時,埋地管道受并行管線爆炸沖擊作用下,其變形和失效規律為:管道最大變形位置為管道正面靠近頂部處和背面靠近底部處,亦是管道破裂部位。其變形原因主要由土壤變形引起,具體過程與3m系列類似,爆炸沖擊已無法對管道產生直接作用。爆炸能量釋放進空氣中后,管道受土壤擠壓作用仍持續變形。

          3.4 并行間距7m~8m

          當并行間距8m時,管道不再產生破裂失效現象。這里從壓力和變形量角度分析其受沖擊破壞效應。


          3.10 管道變形過程 

          3.1o8m并行間距下管道變形過程。當t=80ms時,土壤開始形成爆破漏斗。之后,漏斗體積不斷擴大,但由于最終漏斗口徑是一定的,其形成的土壤堆積與并行管道仍存在很大距離,所以爆破漏斗不再對并行管線的變形起決定作用。之后,地表土壤不斷被掀飛(圖3.10),管道變形受土壤整體粘彈性變形作用,其大變形位置依然為管道正面靠頂部位置,但該變形量不會引起管道破裂失效。

          綜上,在并行間距大于等于8m時,管道不再發生破裂,其變形應力來自土壤粘彈性變形應力。最大變形位置為管道正面靠近頂部位置。雖然該變形量不會導致管道破裂,但已超出管道橢圓化設計準則。為保證埋地并行管道安全,其敷設間距應當大于等于8m。 

          4 模型有效性驗證

          TNT當量法為蒸氣云爆炸(Unconfined Vapor Cloud Explosion ,簡稱UVCE)模擬方法中的典型模型,其原理是把氣云爆炸的破壞作用轉化成TNT爆炸的破壞作用,從而把蒸氣云的量轉化成TNT當量。

          當埋地管道泄漏爆炸時,不考慮地表上已逸出可燃氣體,在土壤所包含的氣相進入飽和狀態時,計算埋地管道的總泄漏量并轉化為TNT當量,對埋地管道爆炸沖擊能量進行預測。

                                 4.1

          式中:

          ——蒸氣云的TNT當量,kg;

          ——蒸氣云中燃料的總質量,kg;

          ——蒸氣云當量系數,統計平均值為0.04;

          ——蒸氣的燃燒熱,J/kg;

          ——TNT的爆炸熱,J/kg,(4230~4836kJ/kg,一般取平均4500kJ/kg);

           

          取泄漏時間=180s,其他參數與地上管道設定一致,代入式(4.1)得=1072.81kg,轉化為TNT當量為=25.74kg。

          土壤中的爆炸沖擊波波陣面峰值壓力、比沖量和沖擊波作用時間通過式(4.2)計算。沖擊波波陣面峰值壓力、比沖量和沖擊波作用時間與爆炸特征長度之間的關系見式(4.2)。

                          4.2

          式中,、、、、TNT裝藥的試驗常數。針對陜京二線埋地敷設管線土壤主要為天然氣組合砂,這里取=230,=2,=1.10,=0.075,=0.004,=0.016。

           

          埋地管道不同于地上管道,當并行間距小于8m時,管道會發生破裂失效,且其變形應力來自土壤塑性變形應力作用,該數值無法用理論驗證。當并行間距達到8m后,管道變形力來自土壤粘彈性,可直接計算其理論超壓值。

          將埋地管道爆炸的TNT當量值=25.74kg代入式(4.2),得

          =273.12MPa

          該值與Gauge6所受正超壓均值誤差為:

          =21.23%

          表明埋地管道爆炸模型建立合理,計算結果具備有效性。

           

          5 結論

          本文以埋地管道為研究對象,建立地下管道爆炸對并行管線的沖擊模型,通過對不同間距系列管道變形分析,得到以下沖擊破壞規律:

          1)在并行間距不大于3m時,埋地管道變形前期受爆炸沖擊超壓影響,后期主要由土壤變形擠壓造成。管道正面全部受土壤擠壓產生大變形,管道正面集體向X軸負方向移動,管道相對變形量最大點為管道頂部和底部,導致這兩個部位發生破裂。

          2)并行間距為4m-6m時,埋地管道的變形原因主要由土壤變形引起,具體過程與3m系列類似,爆炸沖擊已無法對管道產生直接作用。管道最大變形位置為管道正面靠近頂部處和背面靠近底部處,亦是管道破裂部位。爆炸能量釋放進空氣中后,管道受土壤擠壓作用仍持續變形。

          3)并行間距大于等于8m時,管道不再發生破裂,其變形應力來自土壤粘彈性變形應力。最大變形位置為管道正面靠近頂部位置。雖然該變形量不會導致管道破裂,但已超出管道橢圓化設計準則。

          終上所述,相比于地上管道,埋地管道雖然發生爆炸的概率較低,但其爆炸沖擊將引起并行管線發生大形變甚至破裂失效。為保證埋地并行管線的穩定運行,其敷設間距必須大于8m。如果敷設環境特殊,如并行間距小于6m,必須在兩個管道之間設置防護板,隔離兩管道間的土壤變形。

           

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