油氣輸送管道應(yīng)力分析及應(yīng)變設(shè)計研究

甄林林　徐繼巖

摘 要：人類進入21世紀(jì)，能源的全球供求矛盾呈現(xiàn)日益突出的趨勢。如何保障我國石油安全有效地供給，已經(jīng)成為我們面臨的巨大挑戰(zhàn)。該文針對油氣輸送管道所受的各種應(yīng)力的分析，展開了基于應(yīng)變的油氣輸送管道的設(shè)計討論。若想對抗各種應(yīng)力對油氣輸送管道的損害，需要加強油氣輸送管道強度和韌性。

關(guān)鍵詞：油氣輸送管道 應(yīng)力應(yīng)變 強度 韌性

中圖分類號：TM621 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0241-01

管道輸送是油氣運輸中最經(jīng)濟、最可靠、最便捷的方式。我國早在公元前900年便利用竹筒輸送天然氣，后來英國人采用木管或鉛管輸送天然氣。直至19世紀(jì)，煉鐵技術(shù)逐漸在歐洲發(fā)展開來，人們才利用鐵管技術(shù)使天然氣能夠在較長的距離上安全地輸送。長期的生產(chǎn)實踐證實，管道工業(yè)發(fā)展的歷史也是一部人們對管道斷裂問題不斷認(rèn)識并與之斗爭的歷史[1]。

1 油氣輸送管道安全性現(xiàn)狀

我國目前的油氣輸送管道長約35000 km，油田內(nèi)部的輸送管網(wǎng)和城市管網(wǎng)遍布全國各地。大多數(shù)的管道已運行多年，有的甚至已運行二三十年，因此管道的安全性令人擔(dān)憂。1950年，美國有一條管線在試氣時發(fā)生破裂，這是文獻中所查到的最早的管線破裂記錄。迄今為止，我國最大一次管線脆性斷裂事故，是大慶至鐵嶺輸油管線復(fù)線在1974年冬季進行試壓時，為防止水結(jié)冰而采用氣壓試壓（其實并不符合規(guī)范）發(fā)生的。至此，隨著我國油氣管道的大規(guī)模建設(shè)，管道的溫度以及壓力不斷提高，管壁的厚度和管徑不斷加大，新興工藝和新近設(shè)備不斷出現(xiàn)，油氣管道的應(yīng)力分析由此也變得越來越重要。

2 油氣管道的應(yīng)力分析

2.1 管道應(yīng)力分析的目的

分析油氣輸送管道的應(yīng)力時，應(yīng)保證在設(shè)計條件下具有足夠的柔韌性，防止管道因熱脹冷縮、斷點附加位移、管道支撐造成應(yīng)力破壞問題。（1）使管道的應(yīng)力在規(guī)范的許用范圍內(nèi)。（2）使管口的荷載符合材料要求標(biāo)準(zhǔn)。（3）解決管道動力學(xué)問題。（4）優(yōu)化管道的布置設(shè)計。

2.2 管道應(yīng)力分析的內(nèi)容

2.2.1靜力分析

（1）壓力作用而產(chǎn)生的塑形形變。（2）熱脹冷縮、斷點附加位移等產(chǎn)生的疲勞壞損。（3）管道支架受力的計算。

2.2.2動力分析

（1）管道共振分析。（2）控制管道振動和應(yīng)力。（3）由地震引起的地震應(yīng)力壓迫。

2.3 常見的管道形變的形式

2.3.1拉伸形變

輸油管道最常發(fā)生伸長或縮短的軸向拉伸和壓縮形變，這是由方向相反、大小相等、管道中心軸線與作用線重合的一對外力所引起的。

2.3.2剪切形變

輸油管道之所以會發(fā)生剪切形變，是因為有一對方向相反、大小相等、作用線垂直于管軸且距離很近的力作用于管道，其作用方向相對而動。

2.3.3扭轉(zhuǎn)形變

輸油管道還可因為某種因素發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變，此形變是由大小相等、方向相反、作用面垂直于管軸的一對力所引起的。扭轉(zhuǎn)形變可使管道的兩個橫截面繞管道的中心軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。

2.4 應(yīng)力的分類

由于各種荷載的不同可以引起不同類型的應(yīng)力，不同類型的應(yīng)力對損傷破壞管道的影響也不盡相同，因此應(yīng)將管道所受的應(yīng)力根據(jù)其危險程度進行分類，即危險系數(shù)低的應(yīng)力，其許用值可以寬松一些；危險系數(shù)大的應(yīng)力，要嚴(yán)格控制其許用值。根據(jù)應(yīng)力性質(zhì)的不同，將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。

2.4.1一次應(yīng)力

由于壓力、重力與其他外力荷載的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，其可以平衡外力荷載所需的應(yīng)力，隨外力荷載的增加而增加。一次應(yīng)力沒有自限性，當(dāng)管道形變達到臨界水平，即使此時不再增加外力荷載，管道仍會產(chǎn)生不可控塑形流動，導(dǎo)致輸油管道破裂受損。

2.4.2二次應(yīng)力

由于熱脹冷縮、端點位移等作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，其不直接與外力平衡，而是為了滿足位移的約束條件或管道發(fā)生的自身形變所必須的應(yīng)力。二次應(yīng)力與一次應(yīng)力有所不同，其具有自限性，即小量形變就可以使位移的約束條件或自身形變達到要求，從而使形變不再繼續(xù)擴大。一般條件下，只要不使管道反復(fù)受力，二次應(yīng)力不會導(dǎo)致輸油管道破損。

3 油氣管道的強度與韌性

目前，我國油氣管道工程的發(fā)展趨勢是大管徑、高壓輸送和海底管道厚壁化。隨著輸送壓力的增加以及適應(yīng)寒冷地區(qū)管道的使用，對油氣輸送管道的強度、韌性等的要求也隨之升高。因此，除了在生產(chǎn)制備管道方面需要進行工藝的改進、提高管道質(zhì)量之外，還必須改進傳統(tǒng)的設(shè)計方法以滿足油氣管道的輸送發(fā)展要求。

在其他條件基本相同時，輸油的成本隨著管徑的增大而降低。在油氣資源豐富、油源有保障的前提下，建設(shè)大口徑的管道效益更好。由于輸油管道向大口徑、高壓力的方向發(fā)展，因此對管材的要求也日益提高了。為了防止裂斷事故，要求管材有高強度，在材質(zhì)把關(guān)上必須要引起重視。目前輸油管道多采用按照API標(biāo)準(zhǔn)劃分等級的X56、X60、X65號鋼。20世紀(jì)70年代退出的X70號鋼，其規(guī)定屈服限最小值為482MPa，具有較好的強度和韌性的綜合質(zhì)量指標(biāo)，可以在低溫條件下使用，在寒冷地區(qū)的實用性較強[2]。由于管道埋在地下，埋地管道與跨越管道所受應(yīng)力的情況比較復(fù)雜，要描述其管道應(yīng)力—應(yīng)變情況，必須考慮管道所受應(yīng)力之間的相互關(guān)系。

為保證輸油管道系統(tǒng)的安全可靠，韌性設(shè)計也是管道設(shè)計的重要指標(biāo)，足夠強的韌性可以延緩或阻止管道斷裂的進程。輸油管道韌性設(shè)計的基本出發(fā)點是安全性和經(jīng)濟性。對于輸油用管，韌脆轉(zhuǎn)變溫度必須低于試壓或運行中所遇到的最低溫度，該最低溫度應(yīng)由設(shè)計單位提供。對于輸氣用管，除應(yīng)保證韌脆轉(zhuǎn)變溫度必須低于試壓或運行中所遇到的最低溫度外，還應(yīng)保證其沖擊能力[3]。

4 結(jié)語

油氣輸送管道的應(yīng)力分析對于提高油氣管道的設(shè)計水平和增加管道以及設(shè)備運行的安全有著重要的指導(dǎo)意義。想要優(yōu)化油氣輸送管道，就涉及到對管徑、管材、壁厚、工作壓力、溫度影響等一系列相應(yīng)的約束條件。在設(shè)計油氣輸送管道前，要對管道的大量數(shù)據(jù)進行動態(tài)規(guī)劃、非線性規(guī)劃，方能整理出最優(yōu)化的配置，來提高管道的利用能效。

參考文獻

[1] 潘家華.潘家華油氣儲運工程著作選集第2卷[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001：148.

[2] 楊筱蘅.輸油管道設(shè)計與管理[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2006：7.

[3] 王明春.油氣輸送管道應(yīng)力分析及應(yīng)變設(shè)計研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2006.