高清PDF《地质灾害下油气管道力学》梁政、张杰、韩伟军 2016年版

本书为第一部考虑地质灾害作用下油气管道力学的系统研究专著，为石油、天然气管道的设计、制造、敷设、安全评价、修复及防护工程等提供理论基础。本书在系统分析地质灾害下石油、天然气输送管道失效形式及失效原因基础上，基于有限元原理，建立地震断层、山体滑坡、危岩崩塌、地层沉降、地面超载等地质灾害下油气管道力学计算模型，对不同工况下的管道力学行为进行研究。同时，研究定向穿越油气管道在运营过程中的凹陷行为和挤毁行为。最后，设计一种油气管道防护装置，并对其可行性和可靠性进行分析。
本书可供油气管道设计、制造、安全评价领域的技术人员及研究院所、高等院校师生参考使用。本书研究的各类地质灾害下油气管道力学现象及规律可以直接应用于管道的设计计算与安全评价。本书的研究方法可供其他涉及管道力学行为研究的人员借鉴。

目录
第1章绪论…1
1.1研究背景及意义……2
1.2管道沿线地质灾害类型及危害…-3
1.21地震断层……5
1,2.3削…--7
1.24地面塌陷
1.2.5地面超载-7
1.3地质灾害下管道力学研究现状……8
1.3.1地震断层9
1.3.2滑坡-………-10
1.1.了塌10
1.3.4地面塌陷………-11
1.3.5地面超载…11
14主要研究内容……12
第2章跨断层埋地管道力学行为研究…14
2.1跨断层埋地管道分析方法……14
2.1.1跨断层理地管道解析法…-14
2.1.2跨新层埋地管道试验研究…a…15
2.1.3跨断层埋地管道数值仿真…-15
2.14跨断层埋地管道数值计算模型…
2.2走滑断层作用下软土地层管道力学研究………16
2.2.1无压管道力学分析……--16
2.2.2压力管道力学分析20
2.3走滑断层作用下硬岩地层管道力学研究……25
2.3.1无压管道力学分析……25
2.3.2压力管道力学分析…27
2.4逆断层作用下埋地管道力学研究……33
2.4.1软土地层无压管道力学分析…33
24.2软土地层压力管道力学分析…a…37

2.43硬岩地层埋地管道力学分析44
第3章滑坡段埋地管道力学行为研究……46
3.1滑坡地区管道应力和位移分析……46
3.1.1泥土横向下塌时管道的理论分析…46
3.1.2算例与分析52
3.2滑坡段埋地管道力学分析…
32.1滑坡段管道数值计算模型-…54
32.2滑坡床性质对管道力学性能的影响111111…54
3.2.3滑坡体规模对管道力学性能的影响-………56
32.4土体性质对管道力学性能的影响…59
3.2.5管道结构参数对其力学性能影响……62
第4章崩爆作用下管道力学行为研究……65
4.1落石形成条件65
4.2落石冲击架设管道力学研究…………………66
4,2.1材料模型及失效准则…67
4.2.2模型验证及结果分析……67
4,2,3落石冲击有限元模型4111168
4.2.4径向冲击结果分析………-68
4.2.5级向倾斜冲击结果分析…71
4.2.6横向倾斜冲击结果分析-…--73
42.7侧向偏心冲击结果分析…
4.3埋地管道所受落石冲击力研究……76
43.1落石对地面的冲击力-76
4.3.2埋地管道所受冲击力模型78
4.3.3对比分析……………81
4.3.4模型参数分析83
4.4球形落石冲击软土区埋地管道力学研究……84
4.4.1数值计算模型84
4.4.2管道屈曲过程分析…………85
4.4.3管道参数影响研究…86
4.4.4落石参数影响研究…………
4.4.5落石倾斜冲击研究………93
4.5立方体落石冲击硬岩区埋地管道力学研究………97
4.5.1数值计算模型-……97

4.5.2仿真结果分析…97
4.5.3管道参数影响研究1……102
4.5.4回填土参数影响研究………105
4.5.5落石偏心冲击研究……109
4.5.6二次冲击分析·……,110
第5章地层沉陷区埋地管道力学行为研究…112
5,1塌陷沉降区管道基本特征及力学模型…112
5.1.1塌陷沉降区管道基本特征…………112
5.1.2塌陷沉降区管道简化力学模型……113
5.2塌陷区埋地管道力学研究………114
52.1数值计算模型…………114
5.2.2模型验证】5
5.2.3管道参数影响研究………………………116
5.2.4围土参数影响研究2】
5.3地表沉降区埋地管道力学研究……124
5.3.1地表沉降区理地管道失效分析………124
5.3.2数值计算模型124
5.3.3计算结果分析………………124
5.34管道参数影响研究127
5.3.5围土参数影响研究-………-131
第6章地表超载区埋地管道力学行为研究……-136
6.1超载区管道数值计算模型……136
6.1.1数值计算模型136
6.12计算结果分析…136
6.2软土地层超载对管道力学影响研究……137
6.2.1载荷参数影响研究……137
6.2.2管道参数影响研究…………140
6.2.3围士参数彩响研究143
6.3硬岩地层超载对管道力学影响研究……146
63,1超载参数影响研究………………146
6.3.2管道参数影响研究…148
63.3回填土刚度影响研究…………………150
第7章定向穿越管道力学分析………152
7.1定向穿越管道失效分析152

7.1.1定向穿越铺管技术………152
7.1.2运营过程中穿越管道失效分析…………153
7.2孤石作用下管道凹陷行为研究…………-156
7.2.1数值计算模型………………156
7.2.2数值计算模型验证……156
7.2.3无压管道凹陷行为研究………158
7.2.4压力管道凹陷行为研究…………163
7.3穿越管道挤毁行为研究………166
7.3.1临界屈曲压力166
7.3.2无缺陷管道挤毁行为研究……167
7.3.3凹陷管道挤毁行为研究………173
第8章管道防护装置设计及力学行为研究……178
8.1油气管道防护装置结构设计………178
8.1.1定向穿越管道防护结构设计…………178
8.1.2埋地管道防护结构设计179
8.2带防护装置管道力学行为研究………180
8.2.1跨断层管道力学行为研究……………180
8.2.2落石冲击管道力学行为研究………....…-182
8.2.3不均匀沉降区管道力学研究……………185
8.2.4穿越管道凹陷行为研究……………188
8.2.5穿越管道挤毁行为研究…-190
参考文献…193

第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着国民经济发展及工业化水平提高，我国对石油、天然气的需求量逐步增大，而国内油气资源的勘探与开发无法满足需要，很大比重依靠进口。我国从1993年开始成为原油净进口国，2009年的进口原油依存度首次超过国际警戒线的50%：2014年，我国石油对外依存度升至59.5%，较2013年上升1.1个百分点，2015年的石油对外依存度将超过60%1。因而，石油、天然气既是重要的能源，又是重要的战略物资，它们直接影响着国民经济的可持续发展，也关系到国家安全。管道作为石油、天然气最快捷、经济、可靠的运输方式，被称为油气田生命线工程，其结构安全性和可靠性日益突出并受到广泛关注2。
截至2014年，全球油气管道总里程约达196×10km,其中原油管道约为38.1×10*km,成品油管道26.7×10km,天然气管道约129.9×10km,天然气管道已占全世界管道总里程的66.3%3。表1-1为全世界各地区油气管道里程统计，表中可见，北美洲拥有全世界最发达的管网系统。截至2014年，中国油气管道总里程已经达到10.7×10km,其中原油管道2.56×10km;成品油管道2.1×10km;天然气管道6×10*km,占油气管道总长的52%5.。如表1-2所示，2009年以来建成及在建的4条原油进口管道和6条天然气进口管道，为我国提供了较强的石油和天然气进口能力。

我国20世纪60年代建设第一条输气管道（巴渝线）后，经过50余年的发展，至2012年年底，我国天然气主干管道总里程约5.5×10km,初步形成了以西气东输一线、西气东输二线、川气东送、陕京线一线、陕京二线、陕京三线等天然气管道为主干线，以兰银线、淮武线、冀宁线为联络线的国家基干管网：同时川渝、华北、长江三角洲等地区已经形成相对完善的区域管网，“西气东输、海气登陆、就近供应”的供气格局基本形成。
长输油气管道的敷设方式可分为地上敷设和地下敷设。
地上敷设又称为架空敷设，根据支架高度，可将其分为低支架敷设、中支架敷设和高支架敷设。当管道跨越山谷、河流、澡泽、沙漠及永久冻土带时宜采用地上敷设。
对于干线（长输）油气管道，98%采用地下敷设，按其敷设形式可分为地沟敷设和埋地敷设。地下敷设管道具有施工简单、占地面积小、节省投资、不影响交通和农耕作业等优点。
近年来，水平定向钻技术以其精确导向、施工周期短、综合效率高等优势，在石油天然气管道施工中得到了广泛应用。
但是，由于埋地管道与岩土直接接触，因而其受地层影响较大，特别是长输管线跨越范围广阔，管道沿线地质环境复杂，极易受到各种地质灾害的威胁，易造成管道大变形、断裂等失效形式，从而导致油气泄漏，造成管线停输、污染环境，不仅带来巨大经济损失，甚至导致火灾、爆炸等事故，给国家和人民的财产、生命安全带来威胁。因而，研究地质灾害下的油气管道力学对管道设计、敷设施工、安全评价、维修和防护等具有重要理论意义和工程应用价值。

1.2管道沿线地质灾害类型及危害
我国地域辽阔，地质条件复杂，而长输油气管道需要穿越多个地区，管道沿线地质灾害频发且较为复杂。根据地质灾害产生的原因，可将其分为三大类：
(1)地壳内部构造引起的地质灾害，包括地震、地面塌陷（沉降）、地表裂缝等。
(2)地壳外部构造引起的地质灾害，包括滑坡、泥石流、洪水、沙埋、风蚀等。
(3)特殊土体导致的地质灾害，包括湿陷性黄土、膨胀土、盐渍土、冻土等引起的灾害等。
根据统计资料，我国主要管道地质灾害分布情况如表1-3所示。

忠武输气管道和川气东送管道分别于2004年和2009年竣工并投产运营，它们穿越川东至鄂西山区，该地段为典型的地质灾害多发区。据2010年对这两条管线的统计结果，发现管道沿线地质灾害发育量较大，主要为滑坡（含潜在不稳定斜坡)、崩塌（危岩、高边坡）和水毁（坡面水毁、河沟道水毁、台田地水毁）[川，如表1-4所示。
李效萌等对中缅管道安顺一贵阳段沿线进行地质调查，发现灾害点34处，主要为滑坡、崩塌、不稳定斜坡、地面沉降等（表1-5）2，该地区管道沿线地质灾害发育相对集中、分布密度大。
2002年7月西气东输管道工程开始兴建，主要任务是将新疆塔里木盆地的天然气送往豫皖江浙沪地区，主干管道全长4000km。沿线经过新疆、甘肃、宁夏、山西、河南、安徽、江苏、上海、浙江10个省市区，跨越了青藏高原、黄土高原、山西山地、皖苏丘陵平原、长江三角洲等地区，沿线主要地质灾害类型及数量如表1-613所示。

地质灾害对管道工程的危害表现为两个方面：一是管道建设施工期间，地质灾害容易导致施工人员受伤、施工机具损坏：二是管道运营期间，地质灾害对管道本体及对伴行路、阀室、站场和其他地面设施造成破坏。其中，地质灾害对管道的危害形式多，危害机理较为复杂。地质灾害作用也会引起地层运动和围土变形，管土相互作用及复杂力学行为使得管道发生变形、断裂、弯曲、压缩、扭曲、局部屈曲等失效形式，特别是近年来大口径管道的大范围应用，使围土作用下管道的失效现象更加突出。

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