基于ANSYS的隧道內(nèi)輸氣管道應(yīng)力分析

任 帥，馬貴陽(yáng)，王海燕

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

基于ANSYS的隧道內(nèi)輸氣管道應(yīng)力分析

任 帥，馬貴陽(yáng)，王海燕

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

隧道內(nèi)的彎管處通常是應(yīng)力集中的地方，使得管道處于危險(xiǎn)甚至失效狀態(tài)。為了研究隧道內(nèi)彎管在不同情況下的受力，利用有限元分析軟件ANSYS建立彎管的有限元模型，明確了隧道內(nèi)垂直L型和Z型彎管的應(yīng)力分布情況和應(yīng)力集中點(diǎn)。研究結(jié)果表明：在試壓和運(yùn)行狀態(tài)下，彎頭處所受的應(yīng)力最大，管道內(nèi)壓是引起管道應(yīng)力的主要因素。隧道內(nèi)管道最大應(yīng)力隨管道半徑的增大而逐漸增大，呈近似線(xiàn)性關(guān)系。不同形狀的彎管結(jié)構(gòu)分布會(huì)對(duì)彎管的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。L型彎管的最大應(yīng)力隨兩臂長(zhǎng)的增加先增大后減小，Z型彎管的最大應(yīng)力隨相互平行的兩彎管的增大而逐漸增大。

隧道；輸氣管道；試壓工況；有限元分析；半徑；臂長(zhǎng)

隨著我國(guó)輸氣管道建設(shè)高峰時(shí)期的到來(lái)，在山區(qū)敷設(shè)管道時(shí)，為了減少植被破壞、防止水土流失等自然災(zāi)害的發(fā)生，隧道穿越形式被廣泛采納[1]。隧道內(nèi)的油氣管道的設(shè)計(jì)目前沒(méi)有相對(duì)可靠的理論依據(jù)，大部分設(shè)計(jì)必須依靠經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，此外，管道在隧道內(nèi)的應(yīng)力分布情況模糊，使得管道的運(yùn)行存在很大的隱患[2]。導(dǎo)致管道失效的因素有管道腐蝕，管道疲勞，設(shè)計(jì)不合理等，除此之外還有一個(gè)經(jīng)常被忽略的重要原因，就是在隧道內(nèi)存在一些特殊管段，諸如彎頭等常常會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，這使得管道不能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求而失效[3-6]。國(guó)外的管道在“L”和“Z”段可能產(chǎn)生橫向位移處增加軟泡材料，如廢聚氨脂，泡沫塑料。而目前我國(guó)并沒(méi)有采取相應(yīng)措施，在小管徑和溫差較低時(shí)彎頭部位應(yīng)力未達(dá)到材料的強(qiáng)度極限，仍可正常運(yùn)行，但當(dāng)運(yùn)行管道管徑，溫差較大時(shí)會(huì)造成管道破裂[7,8]。

管道施工中一個(gè)非常重要的程序是管道試壓，不僅是對(duì)管道工程在生產(chǎn)中能否在設(shè)計(jì)壓力下安全運(yùn)行的一次檢驗(yàn)，也是對(duì)管道施工質(zhì)量，材料性能，管道整體性能的一次綜合檢驗(yàn)[9,10]。《原油和天然氣輸送管道穿跨越設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.1中規(guī)定，大中型水域，鐵路及Ⅱ級(jí)以上的公路穿越管段，必須獨(dú)立進(jìn)行強(qiáng)度試壓和嚴(yán)密性試驗(yàn)，合格后再與相鄰管段連接。本文利用有限元軟件ANASYS對(duì)隧道內(nèi)彎管建立有限元模型，分析由于半徑,結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同而使彎管受到不同的應(yīng)力應(yīng)變，找出危險(xiǎn)點(diǎn)，為設(shè)計(jì)施工提供一定理論指導(dǎo)。

1 管道的應(yīng)力分類(lèi)及校核[11,12]

因?yàn)楣艿郎嫌休d荷作用，就會(huì)產(chǎn)生各種各樣的應(yīng)力。由于外部和內(nèi)部作用的影響，諸如壓力、重力、溫度都可能引起管道相對(duì)應(yīng)應(yīng)力，這些應(yīng)力又可分為一次應(yīng)力，二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。

由管道的內(nèi)壓、自重和其他外載產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為一次應(yīng)力。于浦義等編寫(xiě)的石油化工壓力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)中規(guī)定：內(nèi)壓、自重和外載產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力等應(yīng)滿(mǎn)足外部力和力矩的平衡條件。如果應(yīng)力過(guò)大，管道產(chǎn)生的變形將無(wú)限制的增大（即沒(méi)有自限性），最終導(dǎo)致破壞。一次應(yīng)力的大小是衡量管道能否安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)之一，為了確保一次應(yīng)力不變，安裝條件、內(nèi)壓、溫度和外載必須保持不變。一次應(yīng)力值小干或等于操作溫度下材料的許用應(yīng)力， 則管道可以安全運(yùn)行。

由于管道變形受阻而引起的正應(yīng)力和剪應(yīng)力稱(chēng)為二次應(yīng)力，其不是直接與外力相平衡，而是通過(guò)管道各部分變形來(lái)適應(yīng)的。同時(shí)，二次應(yīng)力作用的范圍限制在局部范圍內(nèi)。熱脹推力的作用可以引起管道局部屈服，從而產(chǎn)生少量塑性變形，此時(shí)，椎力就不會(huì)再增加，塑性變形也不再發(fā)展，這種現(xiàn)象稱(chēng)為有自限性。

根據(jù)ASME．B31.8《氣體運(yùn)輸和分配系統(tǒng)的管道標(biāo)準(zhǔn)》，因?yàn)樗淼纼?nèi)的管道處于比較封閉的環(huán)境，并建有固定墩，支墩等輔助設(shè)施，所以靜力分析主要校核自重W，內(nèi)壓P，溫度T。管道總應(yīng)力疊加計(jì)算式（1）：

式中L1為計(jì)算管道系統(tǒng)對(duì)邊界的推力。

一次應(yīng)力疊加計(jì)算式：L2=W+P

式中L2為管道系統(tǒng)中各點(diǎn)的一次應(yīng)力值。

二次應(yīng)力疊加計(jì)算式：L3= L1-L2

式中L3為管道系統(tǒng)中各點(diǎn)的二次應(yīng)力值。

輸氣管道穿越工程在正常投產(chǎn)運(yùn)行前需要進(jìn)行單獨(dú)試壓，根據(jù)SY/T0015.1-1998《原油和天然氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范—穿跨工程》中規(guī)定，油氣輸送管道的穿越管段試壓壓力，試壓時(shí)間和試壓介質(zhì)分別按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50251和GB50253規(guī)定執(zhí)行，強(qiáng)度驗(yàn)算壓力按下（2）式計(jì)算，

式中

:Pt—試壓壓力，MPa；

δ—管道設(shè)計(jì)壁厚，mm；

σs—管道規(guī)定的屈服極限，MPa；

D—管道外徑，mm。

2 管道模型的建立及應(yīng)力分析

2.1 模型的建立

隧道內(nèi)管道走向的平面分布如圖1所示。隧道內(nèi)彎管可以分為垂直型L型和Z型。管道直徑813 MPa，壁厚22 mm，運(yùn)行壓力為6.4 MPa，根據(jù)式1，試壓壓力24 MPa，試壓介質(zhì)為水。管內(nèi)溫度為50 ℃，管外平均溫度為10 ℃在ANSYS中選用pipe16，pipe18單元建立彎管有限元模型。定義第一類(lèi)第二類(lèi)材料的彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.3。用命令“RUN”定義管道分別沿Y軸的延伸量為4.6、0.4 m，沿X軸的延伸量為0.4、4.6 m。用命令“BEND”定義彎管處半徑為0.3 m，建立垂直L型彎管。用命令“RUN”定義管道分別沿X軸的延伸量為4.6、0.4 m，沿Y軸的延伸量為0.4、3.2、0.4 m，沿X軸的延伸量為0.4，4.6 m。用命令“BEND”定義兩個(gè)彎管處半徑為0.3 m，建立垂直Z型管道。通過(guò)以上步驟生成的管道彎管模型如圖2所示。

圖1 隧道穿越管道走向平面分布圖Fig.1 The Distribution map of thepipeline thruogh tunnel

圖2 彎管有限元模型Fig.2 The finite element model of bending pipeline

2.2 加載求解

定義Y方向的重力加速度為9.8 m/s2，定義兩端點(diǎn)所有節(jié)點(diǎn)自由度。加載完成后進(jìn)入求解器求解。通過(guò)通用后處理器顯示應(yīng)力分布情況。垂直L型Z型彎管在試壓工況下的應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 彎管在試壓工況下的應(yīng)力分布Fig.3 The stress distribution of bending pipeline under pressure testing condition

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 運(yùn)行工況不同對(duì)最大應(yīng)力的影響

通過(guò)上述分析，兩類(lèi)彎管在不同運(yùn)行工況下X方向的最大應(yīng)力值如下表1所示。從表1可知，試壓工況下“L”，“Z”型管道在彎管處的應(yīng)力最大，“Z”型彎管處的最大應(yīng)力大于“L”型的，且最大應(yīng)力發(fā)生在“Z”型管靠下邊的彎管處。隧道內(nèi)彎管在設(shè)計(jì)安裝時(shí)必須考慮試壓工況，使得管道能夠滿(mǎn)足試壓時(shí)的強(qiáng)度要求。

表1 不同運(yùn)行工況彎管應(yīng)力分布情況表Table 1 The stress distribution of bending pipeline under different conditions

3.2 管道半徑對(duì)最大應(yīng)力的影響

由于在試壓工況下管道需承受的應(yīng)力最大，所以下面只考慮在試壓工況下半徑對(duì)最大應(yīng)力的影響。圖4為管道半徑變化對(duì)最大應(yīng)力的影響，由圖可知，最大應(yīng)力隨半徑呈近似線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)隧道內(nèi)管道為大半徑時(shí)需考慮在彎管處增加保護(hù)措施以防管道破裂。

圖4 管道半徑變化對(duì)最大應(yīng)力的影響Fig.4 The effect of pipe radius on the maximum stress

3.3 管道結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)最大應(yīng)力的影響

改變“L”，“Z”型彎管的臂長(zhǎng)，但保持兩臂相等，“Z”型垂直臂保持4 m不變，相互平行的兩臂變換。臂長(zhǎng)變化隨最大應(yīng)力值的關(guān)系如下表2，由表可知，“L”型彎管，隨著臂長(zhǎng)變長(zhǎng)先增大后減小?！癦”型彎管隨臂長(zhǎng)增加最大應(yīng)力也增加。當(dāng)“Z”型彎管兩平行臂長(zhǎng)保持10 m不變，垂直臂長(zhǎng)由4米逐漸增加到10 m，最大應(yīng)力逐漸減小，見(jiàn)圖5。

表2 水平臂長(zhǎng)變換對(duì)最大應(yīng)力的影響Table 2 The parallel arm length influence on the maximum stress distribution of bending pipeline

圖5 垂直臂長(zhǎng)對(duì)“Z”型彎管的應(yīng)力的影響情況Fig.5 Influence of vertical arm length on the stress distribution of “Z” bending pipeline

4 結(jié) 論

（1）在試壓工況下，垂直L型與Z型彎管所受應(yīng)力最大且最大應(yīng)力產(chǎn)生的位置都在彎管處，加之彎管處一般有焊縫，所以彎頭處為危險(xiǎn)面。

（2）隨著隧道內(nèi)管道半徑增加，彎管處的最大應(yīng)力值增加。

（3）對(duì)于“L”型彎管，最大應(yīng)力隨兩臂長(zhǎng)的增大先增大后減小。對(duì)于“Z”型彎管，最大應(yīng)力隨相互平行臂長(zhǎng)的增加而增大。在實(shí)際設(shè)計(jì)安裝時(shí)，根據(jù)隧道實(shí)際深度、走向結(jié)合以上結(jié)論，調(diào)整特殊管段處的結(jié)構(gòu)尺寸，必要時(shí)在彎頭處添加軟泡材料，使隧道內(nèi)管道可以安全運(yùn)行。

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Stress Analysis of Gas Pipeline in Tunnel Based on ANSYS

REN Shuai，MA Gui-yang，WANG Hai-yan
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The elbows in the tunnel are usually the stress concentration point. They make the pipeline be in dangerous or even failure states. In order to study the stress condition in tunnel under different conditions, the finite element analysis software ANSYS was used to build the finite element model to carry out the numerical simulation in order to find out the stress distribution and the stress concentration points in type “L” and type “Z” pipelines. The results show that, under pressure testing and operating condition, the pressure of the elbow is the highest. The inner pressure in the pipeline is the main factor to cause the stress. The maximum stress of pipeline in the tunnel gradually increases along with the pipe radius increasing, and there is an approximate linear relationship between them. The different structure of elbow can affect the stress distribution, the maximum stress on “L” pipe first increases and then decreases with the increase of arm length, but it always increases on “Z” pipe.

Tunnel; Gas pipeline; Pressure testing condition; Finite element analysis；Radius; Arm length

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）11-2652-03

2015-04-28

任帥（1989-），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市人，在讀碩士，現(xiàn)就讀于遼寧石油化工大學(xué)，研究方向：管道泄漏分析。E-mail：943178963@qq.com。