基于ANSYS的埋地塌陷管道力学分析

基于ANSYS的埋地塌陷管道力学分析

周亚东

东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江省大庆市 163318

摘 要：查阅文献总结了管道塌陷模拟的方法，基于前人的研究成果，验证了三维管土模型的正确性，结合Python对ANSYS进行二次开发，降低了有限元使用的难度，实现了快速建模，为工程人员提供了参考。

关键词：ANSYS；塌陷；埋地管道；PYTHON

1  引  言

埋地管道是输送天燃气、水、油等介质的一种重要运输方式[1]，据统计，在中国７０％以上的输油输气的运输方式为管道运输，油气管道是国民经济和国家能源安全的生命线[2]。

2  埋地管道有限元模型的建立

钢管采用实体单元，土体采用soild45单元，土体采用砂土，粘聚力1kpa，内摩擦角35°，膨胀角5°，弹性模量10MPa，泊松比0.3，管的本构采用双折现，土的本构采用莫尔库伦，模型的边界条件为，垂直约束，底部全约束。模拟塌陷方法采取生死单元法[3]。所建立的有限元模型如图1所示。

图1  悬空管道力学模型

3塌陷过程

土体的塌陷的过程是动态的，整个过程中都对管道产生相互作用力，但相互作用又在整个过程中不断变化，根据塌陷过程特点将其分为了四个阶段[4]。

（1）土体下陷蠕变

在最初的阶段，塌陷是的过程是较为缓慢、不易被察觉的，地表的塌陷量很小，每年只有几毫米，如图 2（a）。这个阶段，土体移动是有蠕变性的。此时，地表移动量很小，但是地表移动产生的应力应变都施加在管道上。管道长期承担这些载荷，会对管道造成破坏，但由于塌陷移动较小，可能不会被及时发现。

（2）管道局部暗悬

此阶段管道开始有较为明显的下沉量，如图2（b）。在这一阶段中，管道开始时协同土体一起下沉，但管土两者的性质不同，管道的刚度远大于土体，在一段时间后，管道便不再协同土体共同移动，两者移动出现不同步的现象。管道开始与土体发生脱离，悬空长度随时间不断加长，但此过程中土体未完全脱离管道，管道承受土体给予的所有载荷。

（3）管道完全悬空外露

管道与土体在上一阶段出现不协同移动现象，在这一阶段此现象更加明显，如图2（c）。土体塌陷更加剧烈，沿着管道外沿逐渐下陷，管道与土体距离逐渐拉大，在这一阶段土体下陷到管道下部，与管道不再接触，管道出现完全悬空状态，

此时，土体没有给予管道任何作用力。

（4）土体突发沉陷

各塌陷类型的发生机制不同，导致所出现状况不同，某些塌陷最后随伴随着土体的突发沉陷，如图 2（d）。在此阶段，土体出现突发性塌陷，一部分土体覆盖在管道上方，此时，土体自身的重力以及土体的剪力施加给管道。

             （a）             （b）             （c）             （d）

图2 土体塌陷过程

4结果分析

通过力学分析的计算，可以发现跨中位置挠度最大，产生的弯矩最大[5]。为此，塌陷对管道的破坏是需要引起重视的。埋地管道的应力，如图3所示。为工程人员提供了一种计算方法。

参考文献

[1]丁建林,西昕,张对红.能源安全战略下中国管道输送技术发展与展望[J].油气储运,2022,41(06):632-639.

[2]O'Rourke T D, Stewart H E, Jeon S S. Geotechnical aspects of lifeline engineering[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Geotechnical Engineering, 2001, 149(1): 13-26.

[3]杨朝娜,白晓红.地基塌陷过程中埋地管线的有限元分析[J].科学技术与工程,2014,14(33):266-271.

[4]胡渊,徐震,汪鹏飞,王旭,施瑞.冻土区输气管道周围土体冻胀融沉研究[J].工程地质学报,2018,26(04):1035-1042.DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2017-427.

[5]刘德仁,汪鹏飞,王旭,胡渊.冻土区埋地油气管道管沟融陷机理[J].油气储运,2019,38(07):788-792.