長(zhǎng)輸高陡坡段管道應(yīng)力淺析

孫 藺 余漢成 李 沫 楊汗青 陳彰兵 王赤宇

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041；2.中國(guó)石油塔里木油田公司天然氣事業(yè)部，新疆 庫(kù)爾勒 841000

0 前言

長(zhǎng)輸管道在山區(qū)段，受到地形、地貌的限制，不可避免出現(xiàn)不同長(zhǎng)度，坡角約為30°～50°的高陡坡的情況。在該情況下，邊坡底部管道受力情況惡劣。當(dāng)水壓試壓時(shí)，管道除了受土壤的壓力及約束外，還由于管線的自重和水的重量的影響可能造成管道局部應(yīng)力超標(biāo)。在管道建成運(yùn)行后，受地質(zhì)災(zāi)害的影響，管道覆土及管道下方土壤被沖刷，可能造成局部管道懸空，只剩截水墻及擋土墻支撐管道的情況，因此需要對(duì)高陡坡段管道進(jìn)行應(yīng)力分析。本文采用CAESERⅡ應(yīng)力分析軟件進(jìn)行應(yīng)力分析。該軟件是由美國(guó)COADE公司研發(fā)的用于壓力管道應(yīng)力分析的專業(yè)軟件，在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用。

1 建模

工程實(shí)例：某工程QCA265～QCA266號(hào)樁段為高陡坡段，整段管線長(zhǎng)度約為220m，最陡處坡度約45°，管線設(shè)計(jì)壓力10MPa，管道規(guī)格為Φ1 016×12.8mm，材質(zhì)為X80螺旋縫埋弧焊鋼管，水壓試壓為11MPa，輸送介質(zhì)為符合GB 17820標(biāo)準(zhǔn)的凈化天然氣。運(yùn)行溫度為 5～30 ℃，安裝溫度為 15 ℃［1］。

根據(jù)該段管道的施工圖設(shè)計(jì)建立應(yīng)力分析模型［2］。

2 工況分析

2.1 安裝工況

安裝工況是模擬管道下溝后，未覆土?xí)r的工況。由于CAESERⅡ無法模擬土壤對(duì)管道的連續(xù)支撐，因此采用增加+Y方向支撐點(diǎn)的方式模擬土壤對(duì)管道的連續(xù)支撐。支撐點(diǎn)間距為2m。管溝挖成后，溝底需要回填細(xì)土墊層，管道與管溝底的摩擦系數(shù)按0.5考慮。若考慮下雨情況，管道與管溝的摩擦系數(shù)則應(yīng)該適當(dāng)減小，可取0.2。

由于管道在安裝時(shí)未充氣，因此分析時(shí)不考慮管道內(nèi)壓。

經(jīng)CAESERⅡ計(jì)算后，摩擦系數(shù)為0.5時(shí)，管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的1.9%。管道變形量見表1。

表2 摩擦系數(shù)為0.2時(shí)管道最大位移量

當(dāng)摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的1.9%。管道變形量見表2。

無論從應(yīng)力值還是管道變形量看，管道的安裝狀態(tài)是安全的。

在長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)中常會(huì)人為地增加錨固點(diǎn)，若在高陡坡段起止點(diǎn)設(shè)置錨固點(diǎn)，經(jīng)分析管道最大應(yīng)力仍為管道許用應(yīng)力的1.9%，與不設(shè)置錨固點(diǎn)時(shí)管段所受應(yīng)力基本一致。錨固點(diǎn)各方向最大受力見表3。

表3 錨固點(diǎn)各方向最大受力

2.2 水壓試壓工況

水壓試壓工況是模擬管道下溝、覆土后進(jìn)行水壓試壓時(shí)的工況。當(dāng)埋地管道達(dá)到一定長(zhǎng)度后，土壤對(duì)管道的約束力隨著管道長(zhǎng)度的增加有一個(gè)累積效應(yīng)，達(dá)到一定長(zhǎng)度后起到了固定點(diǎn)的效果。根據(jù)CAESERⅡ的通常設(shè)置方法，一般設(shè)置60～90m的埋管長(zhǎng)度以模擬累積固定點(diǎn)的效果。因此在建模時(shí)延長(zhǎng)了高陡邊坡段起止點(diǎn)的長(zhǎng)度，約100m。如果需要比較精確的模擬固定點(diǎn)長(zhǎng)度，可以在建立埋地模型后，查看CAESERⅡ計(jì)算出的長(zhǎng)度，再修改模型累積段的長(zhǎng)度［3-4］。

經(jīng)CAESERⅡ計(jì)算后，管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的70.3%。可見本工程管道在水壓試壓時(shí)是安全的。

同樣分析在起始及結(jié)束點(diǎn)設(shè)置錨固點(diǎn)后水壓工況下的管道應(yīng)力。

經(jīng)應(yīng)力分析軟件計(jì)算管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的70.3%。由于軟件只考慮管道內(nèi)的水重，不考慮溫度引起的二次應(yīng)力，所以錨固點(diǎn)受力、管道位移都是0。

2.3 運(yùn)行工況

運(yùn)行工況是模擬管道正常運(yùn)行時(shí)的工況。本文按照運(yùn)行壓力為10MPa，運(yùn)行溫度為5℃、30℃分別進(jìn)行分析。運(yùn)行工況下，管道應(yīng)力主要是由于溫差產(chǎn)生的二次應(yīng)力。經(jīng)CAESERⅡ計(jì)算，當(dāng)運(yùn)行溫度為5℃時(shí)，管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的71%。管道變形量見表4。

表4 運(yùn)行工況下5℃時(shí)管道最大位移量

在運(yùn)行工況下分析高陡坡管段在起止點(diǎn)設(shè)置錨固點(diǎn)后管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的75.2%，比不設(shè)置錨固點(diǎn)稍有增大，但仍然滿足安全要求。管道最大位移量及錨固點(diǎn)受力見表5～6。

表5 運(yùn)行工況下5℃時(shí)設(shè)置錨固點(diǎn)管道最大位移量

表6 運(yùn)行工況下5℃時(shí)錨固點(diǎn)各方向最大受力

當(dāng)運(yùn)行溫度為30℃時(shí)，經(jīng)分析后管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的72.6%。管道變形量見表7。

表7 運(yùn)行工況下30℃時(shí)管道最大位移量

同樣分析30℃的運(yùn)行工況下，在高陡坡管段起止點(diǎn)設(shè)置錨固點(diǎn)時(shí)管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的75.1%，比不設(shè)置錨固點(diǎn)稍有增大。管道最大位移及錨固點(diǎn)受力見表8～9。

表8 運(yùn)行工況下30℃時(shí)設(shè)置錨固點(diǎn)管道最大位移量

表9 運(yùn)行工況下30℃時(shí)錨固點(diǎn)各方向最大受力

可見本工程的管道在設(shè)計(jì)壓力下，低溫5℃、高溫30℃運(yùn)行工況時(shí)，管道是安全的，由于錨固點(diǎn)限制了管道自身正常位移與伸縮反而增加了管道的應(yīng)力。

同時(shí)試算安裝溫度為15℃，運(yùn)行溫度為55℃時(shí)的極端工況，經(jīng)計(jì)算管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的79.4%，可見在此工況下，管道本身是安全的。

2.4 特殊運(yùn)行工況

特殊運(yùn)行工況是模擬管道建成運(yùn)行后，受地質(zhì)災(zāi)害的影響，管道覆土及管道下方土壤被沖刷，造成局部管道懸空，只剩截水墻及擋土墻支撐管道的情況。建模按間隔15m設(shè)置一個(gè)支撐點(diǎn)的方式來模擬分析管道懸空，管道運(yùn)行壓力仍為10MPa，運(yùn)行溫度為5℃［5］。

經(jīng)計(jì)算，5℃時(shí)管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的72.8%。管道最大位移量見表10。

表10 特殊工況下5℃時(shí)管道最大位移量

當(dāng)在高陡坡段管道起止點(diǎn)設(shè)置錨固點(diǎn)時(shí)，管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的76.1%。比不設(shè)置錨固點(diǎn)稍有增大。管道最大位移量及錨固點(diǎn)受力見表11～12。

表11 特殊工況下5℃時(shí)設(shè)置錨固點(diǎn)管道最大位移量

表12 特殊工況下5℃時(shí)錨固點(diǎn)各方向最大受力

通過計(jì)算結(jié)果可以看出，特殊工況下，高陡坡段管道本身是安全的。

若發(fā)生錨固點(diǎn)被雨水沖刷，造成了錨固墩懸空變成了管道的負(fù)荷，對(duì)這種工況進(jìn)行初步分析。錨固墩重量按30 t考慮，把錨固墩的重量按管道附件受力建模，經(jīng)計(jì)算管道最大應(yīng)力為管道許用應(yīng)力的100.7%，這時(shí)管道已經(jīng)發(fā)生了破壞，此時(shí)錨固墩重量已經(jīng)成為破壞管道的主要原因。

3 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，油氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)工具的進(jìn)步和更新，以前只能按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的管道現(xiàn)在可利用軟件進(jìn)行定量、定性分析，這無疑提高了油氣長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)安全性，為生產(chǎn)運(yùn)行提供了首要保證。

經(jīng)過CAESERⅡ軟件建模分析后，本文中的天然氣長(zhǎng)輸管道工程在高陡坡段除特殊運(yùn)行工況外的其他各種工況下管道應(yīng)力均未超過管道的許用應(yīng)力，從管道應(yīng)力的角度分析，管道是安全的，管道的變形量也在合理的范圍內(nèi)。

當(dāng)人為地增加錨固點(diǎn)后，管道的應(yīng)力均有所增加，管道變形并無實(shí)質(zhì)性的改善，特別在管道錨固墩懸空，成為管道負(fù)擔(dān)時(shí)，管道受力情況反而變得更加惡劣，因此在長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)中應(yīng)該慎重考慮錨固點(diǎn)的設(shè)置，如果確實(shí)因?yàn)樘厥馇闆r需要設(shè)置錨固點(diǎn)，也應(yīng)經(jīng)過應(yīng)力分析來確定錨固點(diǎn)的位置及錨固點(diǎn)的受力。

［1］GB 50251-2003，輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.GB 50251-2003，Code forDesign ofGasTransm ission Pipeline Engineering［S］.

［2］王新慶.基于管道應(yīng)力分析的管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.水務(wù)世界，2012，S2（8）：24-28.W ang Xinqing.Design Study of Pipeline System Based on StressAnalysis［J］.W ater Field，2012，S2（8）：24-28.

［3］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析（第二版）［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2009.Tang Yongjin.StressAnalysisofPressure Pipeline（The Second Edition） ［M］.Beijing：China Petrochem ical Press Co.Ltd，2009.

［4］黃 坤，吳世娟，盧泓方，等.沿坡敷設(shè)輸氣管道應(yīng)力分析［J］.天然氣與石油，2012，30（4）：1-4.Huang Kun，Wu Shijuan，Lu Hongfang，etal.Analysison Stress of Gas Pipeline Laid along Slope［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（4）：1-4.

［5］顧伯通，王兆福，李鐵軍，等.高陡邊坡管道水工保護(hù)的設(shè)計(jì)新方法［J］.天然氣與石油，2006，24（4）：27-28.Gu Botong，Wang Zhaofu，Li Tiejun，et al.New Design Method forW ater Reservation of Pipelinesin High and Steep Slope［J］.Natural Gasand Oil，2006，24（4）：27-28.