【摘要】：管道運輸具有一次性投資少、運輸成本低、安全性高、利于環(huán)保等獨特優(yōu)勢,尤其適合長距離運輸易燃、易爆的石油天然氣。世界經(jīng)濟發(fā)展對能源需求的持續(xù)增長使各國在管道設施安全建設上面臨日益增加的壓力,因此對管道完整性管理的關注和研究己引起了不少學者的重視。地質災害作為管道完整性管理研究的一部分尤其重要。 首先,基于、Vinkler假設的彈性地基梁,推導出了采空沉降作用下的管道沉降量和內(nèi)力的計算公式,提出了管道沉降工況下考慮內(nèi)壓作用的管道典型部位的Mises應力計算公式,通過算例對比理論計算與仿真結果,驗證了模型的準確性；表明該計算公式具有較高精度。利用板殼理論和有限元方法,建立了土體移動工況下數(shù)值計算模型,理論模型的驗證提供了比較基準。通過分析認為管道下方土壤采空區(qū)長度存在臨界值,當采空長度小于臨界值時采空區(qū)長度增加對管道應力影響很小,當采空長度大于臨界值時管道應力隨采空長度增加迅速增大；在管土摩擦系數(shù)小于0.45時,管道最大Mises應力隨其增大而近似線性增大,當管土摩擦系數(shù)大于0.45時其對管道最大Mises應力影響不大；保持適當內(nèi)壓可以降低沉降工況下的管道最大Mises應力；管道最大Mises應力隨埋深增加而近似線性增大；管道最大Mises應力、管道變形隨著采空區(qū)上方覆土層厚度的增大而減小。 其次,本文利用彈性地基梁理論,建立了橫向滑坡作用下埋地管道管土相互作用的理論模型,結合相關的邊界條件,計算出了管道在橫向滑坡作用下的撓度計算公式,采用微分法得到了截面轉角、彎矩等參數(shù)的解,并利用彈性梁理論給出了管道在橫向滑坡作用下的管道Mises等效應力計算公式,并通過案例與已建立的數(shù)值模型結果進行了驗證。通過對滑坡相關影響因素的研究,認為當滑坡位移不變時,橫向滑坡存寬度在一個極值和一個臨界值,當滑坡寬度為極值時,管道由滑坡產(chǎn)生的Mises應力最大；當滑坡寬度大于臨界值時,寬度變化對管道的附加Mises應力沒有影響；當滑坡寬度小于該極值時,滑坡寬度越大,滑坡產(chǎn)生的Mises應力越大；當滑坡寬度大于該極值且小于臨界值時,隨著滑坡寬度增加,滑坡產(chǎn)生的附加Mises應力隨著滑坡長度增加而減小。當滑坡寬度一定時,滑坡位移存在臨界值,當滑坡位移小于臨界值時,管道Mises應力隨滑坡位移增大近似線性增大,當滑坡位移大于臨界值時滑坡位移變化管道Mises應力影響很小。 再次,只考慮最大落石沖擊力的影響,提出了落石沖擊和上層覆土、管道內(nèi)壓共同作用下的管道應力計算公式；開展了落石沖擊埋地管道的試驗研究,測試了不同落石高度對管道位移和應變的影響；建立了落石沖擊在役埋地管道的數(shù)值計算模型,并將數(shù)值計算和試驗結果進行了對比分析。通過研究認為土體的剪切模量、泊松比對落石沖擊時管道最大Mises應力有重要影響,選擇剪切模量、泊松比較大的覆土能有效降低落石沖擊對管道應力的影響；管道最大Mises應力隨著落石直徑、速度的增大而線性增大；當落石邊緣與管道中心線的距離大于管道半徑時,落石沖擊對管道影響很��；內(nèi)壓對管道的影響存在極值,內(nèi)壓小于極值時落石沖擊隨管道內(nèi)壓增大而減少；當內(nèi)壓大于極值時內(nèi)壓載荷時期管道Mises應力增加的主要因素；增加管道埋深、壁厚能有效降低落石沖擊對管道的影響,但存在極值,超過極值后管道埋深、壁厚變化對落石沖擊管道意義不大。 最后,本文編制了地質災害對管道安全性影響評價軟件,利用友好的界面,在后臺調(diào)用ANSYS軟件進行計算,并在界面直接顯示相關的計算結果。 本文通過理論分析、數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗,建立了沉降、滑坡和落實沖擊工況下管道變形部位的Mises應力計算公式,分析的典型相關因素對管道應力的影響規(guī)律,為典型地質災害工況下的管道完整性評價提供理論支持。
【圖文】：

2008—2009浙江天然氣管道連續(xù)發(fā)生兩起滑坡引起的管道失效事故，其中一起甚至引起管道的斷裂爆炸，斷裂后的管道如圖2-4所示[19]。帥健等[16，19]對-4 -

動現(xiàn)象與過程；可能發(fā)生崩落的巖體稱為危巖，，典型墜落式崩塌塊體剖面圖如圖2-5所示。影響崩塌（落石）的外部因素包括：降水、冰雪融凍、氣溫劇烈變化、水流沖刷、坡腳開挖、爆破等。835 PJI ^1 “危媝I m II785 I . ■ ^0 iO 20 30 40 50叛離/m圖2-5典型墜落式崩塌塊體剖面圖[26]-6-
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TE973

【參考文獻】

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本文編號：2569139