Research on Pipeline-soil Coupling Analysis Method and Monitoring and Early Warning Technology for Oil and Gas Pipelines

Abstract

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;长输油气管道沿线地理环境复杂，不可避免会穿越矿山采空区、湿陷黄土区、 山地滑坡区等不良地质区域，管道大跨度悬空变形、滑坡诱发管线断裂等安全事 故时有发生，造成重大人员伤亡和经济损失。开展地质灾害隐患区埋地油气管道 受力分析与风险评估研究，对于提升油气管网灾害预防管控水平、保障国家公共 安全具有重要的理论意义和工程实践意义。 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;本文以埋地悬空管道、横向滑坡作用管道为研究对象，在弹塑性地基梁理论 框架下，分别建立悬空管道与滑坡管道管土耦合作用力学模型，发展高效管道模 型计算方法。在此基础上，引入动态时间规整技术，利用管体应变监测数据智能 辨识管周土体物力参数，构建由最大应力区、管道剩余承载力等指标构成的管道 灾害安全评价体系。主要研究内容及成果如下： （1）建立油气管道管土耦合作用力学模型。根据悬空管道不同管段土体侧 向抗力响应特性，将管道划分为悬空段、塑性抗力段和弹性抗力段等三个区段， 基于弹塑性地基梁理论分区段建立管道挠曲控制方程，并结合边界条件和连续条 件给出求解埋地悬空管道挠度、轴力的定解条件；根据滑坡管道在逐渐增大的横 向滑坡推力作用下，管道侧向土体抗力所表现出的三种工况性态（弹性抗力工况、 塑性抗力且塑性区小于滑坡区工况、塑性抗力且塑性区大于滑坡区工况），基于 弹塑性地基梁理论分工况建立滑坡管道挠曲控制方程，并结合边界条件和连续条 件分别给出求解滑坡作用管道挠度、轴力的定解条件。 （2）提出求解管土耦合作用力学模型的高效计算方法。根据悬空管道和滑 坡管道的定解条件，推导出挠曲控制方程通解待定系数与管道轴力 T、塑性表征 长度 &Delta; 之间的显式表达式。采用遗传算法求解由 T、&Delta; 组成的非线性方程组，以 提高管土耦合模型求解精度和计算效率。算例分析表明，本文提出的半解析半数 值计算结果与有限元数值模拟吻合良好，可方便用于工程设计与安全评估。 （3）开展埋地悬空管道管周土体参数影响因素分析。基于悬空管道管土耦 合作用力学模型，结合实际案例，分析土体线性刚度、上覆土体对管道的垂直作 用力和悬空跨度对悬空管道的挠度曲线、弯矩和最大应变的影响。结果表明：悬 空跨度为影响管道受力的主控因素，当悬空跨度 L 超过 100m 时，悬空段外土体 将出现塑性，且塑性区随悬空跨度增加而扩大，如果不采用弹塑性模型，将会过 高估算管道应力分布。此外，管道最大应变恒定出现在距离悬空中心 1.02(L/2) 位置处，不随悬空跨度的变化而改变，宜作为管体应变传感器的重点布设区域。 （4）开展横向滑坡管道管周土体参数影响因素分析。基于滑坡管道管土耦 吴彬 硕士学位论文: 油气管道管土耦合分析方法与监测预警技术研究 II 合作用力学模型，结合实际案例，分析由滑坡推力 q0、土壤的线性刚度取 k、管 道外径 D 构成的无量纲参数 q0/kD、滑坡段宽度 L 对滑坡管道的挠度曲线、弯矩 和最大应变的影响。结果表明：滑坡段宽度为影响管道受力的主控因素，随着滑 坡宽度的增长，管道的极限荷载减小，危险点从滑坡中心移动至滑坡区外 1.1(L/2) 附近。 （5）发展横向滑坡管道管周土体参数智能识别方法。首先，利用滑坡管道 管土耦合模型，预先计算 9 种滑坡组合工况下、管道全生命周期内不同断面管体 应变模板数据集。然后，采用动态时间规整技术（DTW），对监测数据集与模板 数据集进行相似度智能匹配，将相似度最高的工况认定为滑坡现场管周土体物力 参数。算例表明，当布设多个监测断面，且各断面应变监测值随时间出现变化时， 管周参数辨识技术具有良好的辨识效果。最后，通过识别获得的物力参数对管道 正分析，提出横向滑坡作用下对埋地管道进行安全预警的分析流程。</p