【摘要】：管道運(yùn)輸具有一次性投資少、運(yùn)輸成本低、安全性高、利于環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),尤其適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸易燃、易爆的石油天然氣。世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)使各國(guó)在管道設(shè)施安全建設(shè)上面臨日益增加的壓力,因此對(duì)管道完整性管理的關(guān)注和研究己引起了不少學(xué)者的重視。地質(zhì)災(zāi)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(shè)的彈性地基梁,推導(dǎo)出了采空沉降作用下的管道沉降量和內(nèi)力的計(jì)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(yīng)力計(jì)算公式,通過算例對(duì)比理論計(jì)算與仿真結(jié)果,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；表明該計(jì)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(dòng)工況下數(shù)值計(jì)算模型,理論模型的驗(yàn)證提供了比較基準(zhǔn)。通過分析認(rèn)為管道下方土壤采空區(qū)長(zhǎng)度存在臨界值,當(dāng)采空長(zhǎng)度小于臨界值時(shí)采空區(qū)長(zhǎng)度增加對(duì)管道應(yīng)力影響很小,當(dāng)采空長(zhǎng)度大于臨界值時(shí)管道應(yīng)力隨采空長(zhǎng)度增加迅速增大；在管土摩擦系數(shù)小于0.45時(shí),管道最大Mises應(yīng)力隨其增大而近似線性增大,當(dāng)管土摩擦系數(shù)大于0.45時(shí)其對(duì)管道最大Mises應(yīng)力影響不大；保持適當(dāng)內(nèi)壓可以降低沉降工況下的管道最大Mises應(yīng)力；管道最大Mises應(yīng)力隨埋深增加而近似線性增大；管道最大Mises應(yīng)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(jié)合相關(guān)的邊界條件,計(jì)算出了管道在橫向滑坡作用下的撓度計(jì)算公式,采用微分法得到了截面轉(zhuǎn)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(yīng)力計(jì)算公式,并通過案例與已建立的數(shù)值模型結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。通過對(duì)滑坡相關(guān)影響因素的研究,認(rèn)為當(dāng)滑坡位移不變時(shí),橫向滑坡存寬度在一個(gè)極值和一個(gè)臨界值,當(dāng)滑坡寬度為極值時(shí),管道由滑坡產(chǎn)生的Mises應(yīng)力最大；當(dāng)滑坡寬度大于臨界值時(shí),寬度變化對(duì)管道的附加Mises應(yīng)力沒有影響；當(dāng)滑坡寬度小于該極值時(shí),滑坡寬度越大,滑坡產(chǎn)生的Mises應(yīng)力越大；當(dāng)滑坡寬度大于該極值且小于臨界值時(shí),隨著滑坡寬度增加,滑坡產(chǎn)生的附加Mises應(yīng)力隨著滑坡長(zhǎng)度增加而減小。當(dāng)滑坡寬度一定時(shí),滑坡位移存在臨界值,當(dāng)滑坡位移小于臨界值時(shí),管道Mises應(yīng)力隨滑坡位移增大近似線性增大,當(dāng)滑坡位移大于臨界值時(shí)滑坡位移變化管道Mises應(yīng)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(yīng)力計(jì)算公式；開展了落石沖擊埋地管道的試驗(yàn)研究,測(cè)試了不同落石高度對(duì)管道位移和應(yīng)變的影響；建立了落石沖擊在役埋地管道的數(shù)值計(jì)算模型,并將數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。通過研究認(rèn)為土體的剪切模量、泊松比對(duì)落石沖擊時(shí)管道最大Mises應(yīng)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(duì)管道應(yīng)力的影響；管道最大Mises應(yīng)力隨著落石直徑、速度的增大而線性增大；當(dāng)落石邊緣與管道中心線的距離大于管道半徑時(shí),落石沖擊對(duì)管道影響很�。粌�(nèi)壓對(duì)管道的影響存在極值,內(nèi)壓小于極值時(shí)落石沖擊隨管道內(nèi)壓增大而減少；當(dāng)內(nèi)壓大于極值時(shí)內(nèi)壓載荷時(shí)期管道Mises應(yīng)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(duì)管道的影響,但存在極值,超過極值后管道埋深、壁厚變化對(duì)落石沖擊管道意義不大。 最后,本文編制了地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道安全性影響評(píng)價(jià)軟件,利用友好的界面,在后臺(tái)調(diào)用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算,并在界面直接顯示相關(guān)的計(jì)算結(jié)果。 本文通過理論分析、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),建立了沉降、滑坡和落實(shí)沖擊工況下管道變形部位的Mises應(yīng)力計(jì)算公式,分析的典型相關(guān)因素對(duì)管道應(yīng)力的影響規(guī)律,為典型地質(zhì)災(zāi)害工況下的管道完整性評(píng)價(jià)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(duì)-4 -

動(dòng)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(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TE973

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2569139