并行埋地敷設(shè)管道安全性影響評估技術(shù)研究

董紹華 彭東華 邸鑫 張河葦

中國石油大學(xué)（北京）

摘要：管道運輸系統(tǒng)是現(xiàn)代重要的運輸系統(tǒng)之一，已經(jīng)普遍應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、城市建設(shè)以及社會各個領(lǐng)域。管道運輸是陸地輸送天然氣主要方式。我國中西部地區(qū)地形復(fù)雜，管道走廊用地緊張，多條管道不可避免的需要并行敷設(shè)，而且在以后的管道建設(shè)中，并行敷設(shè)管段還要增加，因此就，解決并行管道建設(shè)、生產(chǎn)運行等方面面臨的問題，及時開展風(fēng)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(dāng)量，采用ANSYS -Autodyn軟件對管道爆炸沖擊進行數(shù)值模擬，結(jié)合1016mm管道敷設(shè)工況，確定物理模型參數(shù)，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(yīng)，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(fā)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(guān)鍵詞：天然氣管道 并行 風(fēng)險 評估 模型

1、前言 

管道敷設(shè)方式一般采取單根管道埋地的獨立敷設(shè)方式，但隨著經(jīng)濟發(fā)展和地理環(huán)境的限制，路由緊張局面必須采取并行敷設(shè)和同溝敷設(shè)，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(zé)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(xù)增長。因天然氣是一次性能源中相對清潔的產(chǎn)品，消費規(guī)模也迅速擴大。新增探明儲量主要位于鄂爾多斯、塔里木、準(zhǔn)噶爾盆地及四川盆地。管道敷設(shè)也從單根管線發(fā)展到多條管線并行敷設(shè)、聯(lián)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(fù)雜區(qū)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(shè)，兩管直徑均為1067mm，管線經(jīng)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(shè)的情況。例如，目前西氣東輸二線在新疆、甘肅和寧夏境內(nèi)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(shè)，同時還要考慮與正在規(guī)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(fù)線（八三管道）也是并行敷設(shè)，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(fā)生失效后泄漏引發(fā)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(fā)生爆炸后，爆轟現(xiàn)象形成的沖擊波受到土壤持續(xù)反射作用，沖擊波超壓迅速上升，比地上管道爆炸的產(chǎn)生的沖擊波超壓高一個數(shù)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(guī)律存在很大差異。

國內(nèi)有關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了管道并行間距為6米^[1-2]，并行管道的間距是否符合風(fēng)險后果的要求，需要建立分析模型和力學(xué)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(dāng)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(xiàn)代爆炸力學(xué)大型有限元分析系統(tǒng)仿真技術(shù)，確定并行管道間距的合理范圍，同時評價一條管道發(fā)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，可為管道的安全運營和入場維護提供技術(shù)支持。 

2  并行管道數(shù)學(xué)模型

2.1 有限元模型

采用Autodyn軟件對管道爆炸沖擊進行數(shù)值模擬。結(jié)合1016mm管道敷設(shè)工況，確定物理模型參數(shù)，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(yīng)。

管道泄漏時間取=180s，轉(zhuǎn)化為TNT當(dāng)量=25.74kg。初始化TNT當(dāng)量球，取半徑156mm。建立二維楔形TNT爆炸模型：156mm1000mm，計算時間0.25ms。空氣材料Air（Ideal gas），管線材料Steel1006和Steel4340和，TNT材料狀態(tài)方程JWL，土壤材料選用CONC-35MPA，其狀態(tài)方程為P-alpha，強度模型為RHT-concrete，GAS材料基于AIR材料本構(gòu)模型修改密度和內(nèi)能。

總體物理模型設(shè)置為：兩個內(nèi)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(shè)置為2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m，其中一個管道以等當(dāng)量TNT球代替，見圖2.1。

 

 

圖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(yù)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(shè)置接觸對。

 

圖2.2 workbench埋地管道模型

 

將上述空間模型通過Explicit Dynamics模塊導(dǎo)入Autodyn軟件，確定Grid、Ini.Cond條件和邊界條件，修正GAS材料狀態(tài)方程參數(shù)和強度模型參數(shù)。添加Air和TNT材料，建立Space的Euler-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(dǎo)入Space模型。球心坐標(biāo)選取原爆破并行管線的軸心。

 

 

圖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(shè)置為Flow out邊界。土壤地面添加=0m/s約束。管道內(nèi)壓為6MPa，=0端軸向位移=0m/s，見圖2.4。

接觸對的設(shè)置同時考慮管道內(nèi)部與Gas、外部與空氣的接觸。此處設(shè)置內(nèi)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(jié)點與面的接觸。設(shè)置外部接觸為流固耦合，保證能量傳遞的準(zhǔn)確性。

 

  

 圖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(guān)系，需要在管道模型上添加一定數(shù)量的Gauge點，其位置極坐標(biāo)以軸為原點，每隔45°選取一系列Gauge點，見圖2.5。 

 

圖2.5 Gauge點分布圖 

3 計算結(jié)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(chǎn)生大變形破壞甚至出現(xiàn)管道壓裂現(xiàn)象。因此對埋地管道的失效分析不同于地上管道，須根據(jù)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(jié)果，分別探討其破壞規(guī)律。

3.1 并行間距2m

該物理模型中的gauge點分布如下圖所示， 

 

圖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。總計算時間為160ms。埋地管道發(fā)生爆炸時，近爆炸源土壤發(fā)生液化現(xiàn)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(fā)生大變形甚至破裂失效。

圖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(fā)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(shù)值只用來代表各系列Gauge點所受沖擊壓強數(shù)量級，具體數(shù)值只做參考.

表1   Gauge點所受沖擊壓強超壓最值表

 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(xiàn)象，并非持續(xù)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(guān)系。 

表2  Gauge點總位移最大值

 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(wěn)，與地上管道所受沖擊超壓的在正負壓之間循環(huán)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。

表3.2中，Gauge點6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。

圖3.3  管道受沖擊變形過程 

當(dāng)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(yīng)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(chǎn)生的高強度沖擊波對周邊土壤產(chǎn)生振動液化，形成爆破漏斗。土壤持續(xù)受振動沖擊產(chǎn)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(dǎo)致管道水平方向上繼續(xù)大幅變形。管道背面土壤受漏斗擠壓密度增大，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致管道背面變形遠小于正面，最終引起管道破裂。變形規(guī)律為：管道起始變形位置為正面Gauge點1~5部位，之后該部位持續(xù)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(fā)生大形變。最終管道呈被壓裂狀態(tài)，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(biāo)見附錄P。

 

 

圖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(chǎn)生實效現(xiàn)象的時間在100ms以內(nèi)，這里選擇計算時間為160ms。埋地管道發(fā)生爆炸時，近爆炸源土壤發(fā)生液化現(xiàn)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(fā)生大變形甚至破裂失效。

圖3.5   3m并行間距各系列Gauge點壓強曲線圖 

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。

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

 

圖3.6 管道受沖擊變形過程 

圖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(chǎn)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(dǎo)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(yīng)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(chǎn)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(yīng)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(chǎn)生大變形破壞甚至出現(xiàn)管道壓裂現(xiàn)象。因此對埋地管道的失效分析不同于地上管道，須根據(jù)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(fēng)險分析，而管道受爆炸破壞會發(fā)生失效破裂和大變形破壞兩種風(fēng)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(tài)的最終計算結(jié)果，并與間距7-8米的破壞形態(tài)計算結(jié)果相比較，根據(jù)計算結(jié)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(guī)律（在下一節(jié)中不再對7-8米間距的破壞形態(tài)圖進行分析和說明）。

圖3.7 不同并行間距下管道最終變形 

圖3.7 中為并行間距。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(fā)生壓裂失效。并行間距在4m-6m之間時，管線爆炸產(chǎn)生的沖擊波無法直接對并行管線產(chǎn)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(chǎn)生塑性變形，對管道產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致管道發(fā)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(chǎn)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。

 

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(shù)量級。管道受沖擊沖量趨勢一致，均在t=50-100ms內(nèi)階躍上升，管道變形量均在這一時間段內(nèi)迅速上升。

各點最大位移值見表3.6、表3.7和表3.9。 

表3.6    4m并行間距Gauge點位移最大值

 

表3.7   5m并行間距Gauge點位移最大值

 

表3.8   6m并行間距Gauge點位移最大值

 

以6m并行間距系列為例，觀察其整體變形過程，分析其變形規(guī)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。

 

圖3.9   管道變形過程

 

土壤邊界條件設(shè)置為：除地表表面外，其余5面為無限邊界。當(dāng)=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。圖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(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，壓迫管道引起形變。

=120ms時，土壤持續(xù)變形，在Gauge點6處形成集中應(yīng)力，造成管道破裂。在管道相對位置Gauge點31處，土壤受上下擠壓變形，帶動管道向內(nèi)凹陷，管道變形值達95.72mm。

當(dāng)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(tài)，引起管道持續(xù)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(guī)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(chǎn)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(xù)變形。

3.4 并行間距7m~8m

當(dāng)并行間距8m時，管道不再產(chǎn)生破裂失效現(xiàn)象。這里從壓力和變形量角度分析其受沖擊破壞效應(yīng)。

圖3.10 管道變形過程 

圖3.1o為8m并行間距下管道變形過程。當(dāng)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(fā)生破裂，其變形應(yīng)力來自土壤粘彈性變形應(yīng)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(dǎo)致管道破裂，但已超出管道橢圓化設(shè)計準(zhǔn)則。為保證埋地并行管道安全，其敷設(shè)間距應(yīng)當(dāng)大于等于8m。 

4 模型有效性驗證

TNT當(dāng)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(zhuǎn)化成TNT爆炸的破壞作用，從而把蒸氣云的量轉(zhuǎn)化成TNT當(dāng)量。

當(dāng)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(tài)時，計算埋地管道的總泄漏量并轉(zhuǎn)化為TNT當(dāng)量，對埋地管道爆炸沖擊能量進行預(yù)測。

                       （4.1）

式中：

——蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg；

——蒸氣云中燃料的總質(zhì)量，kg；

——蒸氣云當(dāng)量系數(shù)，統(tǒng)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(shù)與地上管道設(shè)定一致，代入式（4.1）得=1072.81kg，轉(zhuǎn)化為TNT當(dāng)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(guān)系見式（4.2）。

                （4.2）

式中，、、、、和為TNT裝藥的試驗常數(shù)。針對陜京二線埋地敷設(shè)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(dāng)并行間距小于8m時，管道會發(fā)生破裂失效，且其變形應(yīng)力來自土壤塑性變形應(yīng)力作用，該數(shù)值無法用理論驗證。當(dāng)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(dāng)量值=25.74kg代入式（4.2），得

=273.12MPa

該值與Gauge點6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(jié)果具備有效性。

 

5 結(jié)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(guī)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(chǎn)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(dǎo)致這兩個部位發(fā)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(chǎn)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(xù)變形。

（3）并行間距大于等于8m時，管道不再發(fā)生破裂，其變形應(yīng)力來自土壤粘彈性變形應(yīng)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(dǎo)致管道破裂，但已超出管道橢圓化設(shè)計準(zhǔn)則。

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

 

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