摘 要：为解决山体上部的危岩体易对下部埋地高压输气管道造成威胁的问题，在ANSYS Workbench中建立不同体积岩石撞击埋地管道的有限元模型，利用ANSYS/LS-DYNA计算得出岩石侵入土体的位移及对埋地管道受到撞击后的应力，获得埋地管道在不同岩石坠落撞击事故下的破坏情况.计算结果能为高压输气管道建设及安全运行提供参考.
关键词：埋地输气管道； 撞击； 有限元； ANSYS； LS_DYNA
中图分类号：TE973.1; TB115.1 文献标志码：A
收稿日期：2010-08-17 修回日期：2011-02-13
作者简介： 万 夫(1966—)，男，四川资中人，高级工程师，研究方向为结构分析和现场测试，(E-mail)wantichang@hotmail.com
Numerical computation of impact on buried gas pipeline by
different rocks
WAN Fu, ZHOU Zhaoming, HUANG Tao, ZHOU Yonglin
(Safety, Environment, Quality, Supervision & Testing Research Institute, CNPC Chuanqing Drilling
Engineering Co., Ltd., Guanghan 618300, Sichuan, China)
Abstract： As to the issue that the dangerous rock on the upper part mountain easily threat on the high-pressure gas pipeline which is buried in the lower part of the mountain, the finite element model of buried pipeline impacted by different sizes of rocks are established in ANSYS Workbench. The displacement of rocks which intrude into the soil and the stress of impacted buried gas pipeline are calculated by using ANSYS/LS_DYNA. Then the damage of buried gas pipeline is obtained in different rock-fall impact accident. The computation results can provide references for the construction and safe operation of high pressure gas pipeline.
Key words： buried gas pipeline; impact; finite element; ANSYS; LS_DYNA
0 引 言
截至2006年底，中国石油、天然气和成品油管道建设已超过4万km，到2015年中国油气干线管道将超过10万km.这些大量输送高能、高温、高压气体或流体的压力管网若受到意外撞击而破坏，管内输送介质的射出会造成环境污染，甚至引起爆炸或火灾，造成生命、财产的巨大损失.近年来，国内外文献与事故统计资料［1-2］表明：第三方破坏已成为油气管道失效破坏的主要原因.国内天然气大直径主输气管道均穿行在丘顶或低山谷地，局部需穿行在高差达50~100 m的谷岭之中，极易遭受上部岩体中发育的危岩体的威胁.周小军［3］和王磊等［4］分析评价危岩对天然气管道的危害，但并未对岩石冲击管道进行精确的计算分析.
对于石油行业的输油气管道这种特殊情况，由于管道内部充满高压油气介质，岩石撞击过程涉及土体、管材和岩石等复杂材料，同时也涉及塑性大变形、撞击贯穿和弹塑性材料相互作用等诸多效应的耦合.本文利用大型ANSYS Workbench有限元分析软件，采用显式动力计算软件ANSYS/LS_DYNA计算岩石撞击埋地高压管道的过程，分析岩石对高压管道的撞击破坏程度.研究岩石坠落撞击埋地高压输气管道的过程，对保证油气的安全运移有重要意义，能为高压输气管道建设及安全运行规范的更加完善提供基础数据.
1 物理模型及材料模型
1.1 有限元实体模型
选取一段穿越在山谷中的典型长输天然气管道作为研究对象，管道两边耸立于地表的陡崖、陡坡地带，有落石、掉块现象发生.假设落石体积分别为1 m3，8 m3和27 m3，从10 m高的山顶坠落砸在埋有管道的土体上，为节约计算时间，假定岩石坠落初速度为14 m/s.该埋地管道直径为1 016 mm，壁厚21 mm，管道内部压强设为10 MPa，管道埋深1.5 m.本文以岩石坠落点为中心，取边长为8 m的立方体土体作为计算范围，距坠落点足够远的土体不受影响.根据有限元理论取土体作为模型，由于实际模型土体的空间和管道无限延长，四周都设为不反射边界条件，可很好地模拟无限空间的实体模型.在ANSYS Workbench中建立的有限元实体模型见图1.为保证其计算速度和精度，全部采用六面体网格划分模型，同时对岩石坠落接触部位及管道和土体接触面进行网格加密，整体网格划分情况见图1.共划分有15万个六面体单元，输出ANSYS/LS_DYNA程序计算的K文件.
图 1 岩石撞击埋地高压管道有限元模型
Fig.1 Finite element model of buried high-pressure
pipeline under rock-fall impact1.2 材料参数
土体、岩石材料本构方程一直是研究热点，有很多新的进展，也出现很多新模型［5］.岩石Drucker-Prager强度准则可确定岩石本构关系［6］，它能较好地模拟土体在冲击载荷作用下的弹塑性状态，且在大变形计算中不会出现不稳定现象.该材料在计算程序的关键字为*MAT_Drucker_Prager.由于土体塑性强度与围压有关，土壤材料模型在有限元程序中选用材料关键字*MAT_SOIL_AND_FOAM，土体材料的压力与体积应变关系［7-8］见表1.土体和岩石物理力学参数可参考文献［7］和［9］.高压输气管道材料采用X70系列管线钢.X70钢是种低碳合金钢.X70系列钢材具有连续屈服特征，无明显的屈服平台，具有非常高的延伸率，属于弹性-均匀塑性型材料，该材料的关键字为*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，该模型遵从von Mises屈服准则.［10-11］其物理和力学参数见表2［11-12］.
2 计算分析
岩石坠落撞击埋地管道的有限元模型在大型工作站上进行并行计算，耗时约为50 h.为节约计算时间，只获取0.16 s时间段内对管道的瞬间冲击过程.不同尺寸岩石冲入土体0.16 s时的位移见图2，此时岩石已落入土质中，可知在岩石块体着落周围的土质被岩石冲击出一个很大的凹坑.随着岩石体积的增大，陷入土质的深度和宽度逐渐增大，同时岩石、土体单元发生严重变形，岩石形状也发生严重扭曲，甚至可能破碎.
(a)1 m3岩石(b)8 m3岩石(c)27 m3岩石图 2 不同尺寸岩石冲入土体0.16 s时的位移
Fig.2 Displacement of different sizes of rocks falling into
soil at 0.16 s
图3为1 m3岩石模型z方向速度随时间变化曲线.可知，当20 ms时岩石接触到土体，之前速度由于重力原因有所增加，之后岩石速度突然下降；随着反向加速度达到最大，对接触土体的冲击力也最大；随后，岩石受土体的阻碍，速度逐渐减小；最后，岩石弹起较小高度后速度为0，冲击过程结束.
图 3 1 m3岩石z方向的速度-时间曲线
Fig.3 z direction velocity-time curve of 1 m3 rock
图4为不同尺寸岩石坠落撞击埋地管道过程中受撞击的土体单元随时间变化的位移曲线，图中所选为岩石正下方的土体单元.由于在160 ms前速度方向一直向下，土体单元的位移一直增加；随着尺寸增大，位移也一直增大，但尺寸过大则位移的增幅开始减小.由图2和4可知，在岩石坠入土体过程中，在160 ms时最大尺寸岩石坠入深度约为900 mm，最小尺寸岩石坠入深度约为500 mm.
图 4 不同尺寸岩石撞击下土体单元的位移-时间曲线
Fig.4 Displacement-time curve of soil elements under
impact of different sizes of rocks图5为管道在不同尺寸岩石撞击下60 ms时的等效应力云图，该时刻管道受到的瞬间冲击力最大.随着岩石尺寸的增大，管道受到的冲击力也逐渐增大，其等效应力也越集中.3种尺寸的岩石对管道的冲击产生的等效应力都未达到管道材料的屈服极限(540 MPa)，但27 m3的岩石撞击埋地管道产生的最大等效应力已非常接近其等效应力，管道输送高压气体存在很大的危险性.因此，可根据坠落岩石的尺寸和密度评估埋地管道的受撞击情况，确定是否对其进行应力检测，继而对该管道的输送安全提出建议.
图 5 60 ms时管道受不同尺寸岩石撞击的等效
应力云图，kPa
Fig.5 Equivalent stress distribution of pipeline under
impact of different sizes of rocks at 60 ms，kPa
3 结 论
通过有限元软件的动力分析计算获得岩石撞击埋地管道的整个过程，同时获得撞击过程的详细数据.随着坠落岩石尺寸的增大，其坠入深度也随之增加，管道受到的等效应力也增大，对管道的破坏性也随之增大，可定性地描述不同尺寸岩石对管道冲击产生的等效应力，为评估管道的安全运移提供依据.对于受到较小冲击、变形量较小的管道，需对其进行仿真模拟配合现场无损检测和应力检测，评定其运行的安全性.
长距离输送高压气体和流体管道经常处于有潜在危险的工作状态下，危岩坠落或意外事故撞击都具有突发性，这些将严重威胁到输气管道的安全，建议采取安全防范措施.本文的仿真分析结果及计算方法能为输油气管道质量的安全运行、高压输油气管道的选材及铺设管道方案的优化提供参考.
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(编辑 于 杰)