LNG接收站地基沉降對(duì)管道應(yīng)力的影響分析

翟博 張晨

摘 要：本文通過LNG（Liquefied Natural Gas）接收站工程實(shí)例，從技術(shù)和安全評(píng)價(jià)的角度出發(fā)，分析了項(xiàng)目長(zhǎng)時(shí)間投產(chǎn)運(yùn)行階段應(yīng)對(duì)地基沉降的整體解決方案;同時(shí)結(jié)合站內(nèi)的調(diào)研情況，搭建了全場(chǎng)主要管道的實(shí)體模型，完成應(yīng)力分析計(jì)算;最后提出管道應(yīng)變應(yīng)力的推薦檢測(cè)方案，闡述了沉降發(fā)生后的綜合處理措施。

關(guān)鍵詞：LNG接收站;管廊架;應(yīng)力分析;地基沉降;監(jiān)測(cè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.062

1 研究目的及意義

鋪設(shè)在土質(zhì)（或砂質(zhì)）較軟地基上的管廊架及管道可能會(huì)因所在區(qū)域的不均勻沉降而發(fā)生變形，沉降帶來的后果是急劇增大相鄰管道支架的承載力，同時(shí)管道本身所受到的應(yīng)力也隨之增大[1]。由于石油天然氣管道行業(yè)的特殊性和危險(xiǎn)性，特別是存在運(yùn)輸易燃易爆物質(zhì)的管道，當(dāng)連接端口或特定區(qū)域的應(yīng)變和應(yīng)力超過了規(guī)定的受力范圍時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致管道產(chǎn)生裂縫、損傷、變形、扭曲或傾斜，進(jìn)而誘發(fā)嚴(yán)重的安全事故[2]。

本文研究的主要目的是從安全評(píng)價(jià)的角度出發(fā)，針對(duì)LNG接收站站內(nèi)主要的低溫管線和常溫的天然氣管線，開展地基沉降前后的應(yīng)力分析研究，通過計(jì)算其應(yīng)力變化規(guī)律，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出管道應(yīng)變應(yīng)力的監(jiān)測(cè)方法。同時(shí)，以某工程項(xiàng)目為例，依據(jù)收集到的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，核算管道支吊架在不同沉降條件下的受力情況。最后，總結(jié)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)地基沉降的檢測(cè)和處理方案，為進(jìn)一步研究管道的受力特性提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 設(shè)計(jì)階段對(duì)管道沉降問題的考慮

2.1 土建及鋼結(jié)構(gòu)

（1）陸域形成的地基處理。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的LNG接收站已建或在建的已多達(dá)十余座，但多涉及到陸域形成，在填海造陸的過程中，一般情況下都采用軟土回填，鑒于軟土地基的特性，項(xiàng)目建設(shè)過程中如果不進(jìn)行加強(qiáng)地基處理或采用有效的基礎(chǔ)管理形式，土體本身連帶上部結(jié)構(gòu)均可能產(chǎn)生較大范圍的沉降，如果沉降程度較大，將不能滿足上部結(jié)構(gòu)的荷載要求[3]。

對(duì)于管廊架和管線結(jié)構(gòu)件下方的地基，施工完成后必須通知質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，具體要求為處理后的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值≥80kPa，壓縮模量≥5MPa，同時(shí)質(zhì)量要求處理土層以下的地基承載力不得大幅度突然降低。一般條件下，行業(yè)內(nèi)建議填海形成的區(qū)域，應(yīng)該讓土地自然沉降一段時(shí)間（大于半年）后再進(jìn)行項(xiàng)目施工。

（2）管道樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。LNG接收站內(nèi)的管道一般鋪設(shè)在管廊架上，而管廊架承載在樁基礎(chǔ)之上，坐地式的管道，下方一般會(huì)設(shè)置管墩，是否采用樁基礎(chǔ)視具體情況而定[4]。樁基礎(chǔ)可以直接、有效、完整的將上部荷載力（管道+管廊架等）傳遞到土層和持力層。

如果在項(xiàng)目初期陸域形成時(shí)，地基處理措施不到位，自然沉降時(shí)間不夠長(zhǎng)，那么很可能在項(xiàng)目建設(shè)期或項(xiàng)目長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)期間，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)較大幅度的不均勻沉降，假定在上述情況下，管廊架樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)（或管墩），必須充分考慮增大樁長(zhǎng)或樁徑，以避免上述不利因素對(duì)管道帶來的影響[5]。

2.2 管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)

（1）參照的規(guī)范。一般條件下，各LNG接收站項(xiàng)目管道柔性分析均參照國(guó)際通用規(guī)范ASEM B31.1中對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變的規(guī)定和最大應(yīng)力范圍要求。

（2）管道垂向支撐的位移考慮。

根據(jù)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范HGT 20670-2000《化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定》，管架基礎(chǔ)可不作地基變形計(jì)算，但當(dāng)大型且頂層支撐重型設(shè)備的管廊位于軟弱地基時(shí)，宜作地基變形計(jì)算，同時(shí)應(yīng)控制相鄰柱基沉降差不大于0.003L（L代表相鄰柱基的中心距）。

3 LNG接收站現(xiàn)場(chǎng)沉降情況簡(jiǎn)述

某接收站當(dāng)前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)較為明顯存在管廊架及管道區(qū)域土壤的沉降情況。該站管廊架及管道區(qū)域同時(shí)存在不均勻沉降和均勻沉降二種形式，部門區(qū)域沉降量已經(jīng)到達(dá)10-20cm，未打樁基礎(chǔ)的管廊架沉降更為嚴(yán)重，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)個(gè)別管道出現(xiàn)了扭曲變形。

主管廊架和管道的地基已經(jīng)發(fā)生沉降，設(shè)計(jì)的地面高度應(yīng)該高于圖中黑色涂漆區(qū)域，經(jīng)測(cè)量該區(qū)域的地面沉降值約為25cm，管廊架的沉降值無法直接測(cè)量。翻閱該站土建及結(jié)構(gòu)專業(yè)的部分資料，可以得知該接收站全廠的主管廊架地基均采用地下打樁的形式，樁基礎(chǔ)的深度為20m，從設(shè)計(jì)角度講已經(jīng)為管廊架區(qū)域地基做了很好的保護(hù)。

4 管道的應(yīng)力分析研究

4.1 管道應(yīng)力分析基礎(chǔ)

為了更加詳盡的闡述管道支架和管廊架沉降對(duì)于管道應(yīng)力的影響，對(duì)管道應(yīng)力計(jì)算所需考慮的因素進(jìn)行全面整理，通過軟件建模和試算的方式比較沉降前后的應(yīng)力值。

4.1.1 管道應(yīng)力分析考慮的工況

管道應(yīng)力分析中需要考慮管道運(yùn)營(yíng)全周期可能經(jīng)受的全部載荷影響，確保管道在任何載荷下都滿足ASME B31.1中對(duì)應(yīng)力計(jì)算的最大值要求。故此管道應(yīng)力在分析中需要考慮大5類型的工況，主要包括：1）水壓試驗(yàn)工況、2）操作工況、3）一次應(yīng)力（冷載荷）、4）偶然載荷工況、5）二次應(yīng)力（膨脹）工況。本次應(yīng)力分析以中海油某LNG接收站為例，實(shí)際工況選擇內(nèi)容如下：

水壓試驗(yàn)工況（HYD）：

水壓試驗(yàn)工況模擬管道水壓試壓情況下管道的承載能力，同時(shí)疊加設(shè)計(jì)壓力的影響，考慮1種工況：

WW+HP+H;

操作工況（OPE）：

操作工況模擬不同管道可能的操作條件，包含溫度、位移、風(fēng)和地震的影響，考慮10種工況：

（1）W+D1+T1+P1+H;（2）W+D1+T2+P1+H;（3）W+D1+T3+P1+H;（4）W+D2+T1+P1+H;（5）W+D3+T1+P1+H;（6）W+T1+P1+H; （7）W+D1+T1+P1+H+WIN1; （8）W+D1+T1+P1+H+WIN2;（9）W+D1+T1+P1+H+U1+U2;（10）W+D1+T1+P1+H+U2+U3。

一次應(yīng)力工況（SUS） ：

一次應(yīng)力工況分析管道在安裝條件下的載荷，只考慮1種工況：

（1）W+P1+H;

偶然應(yīng)力工況（OCC）：

偶然應(yīng)力工況分析管道單獨(dú)受到地震載荷或是風(fēng)載荷條件以及這種載荷和一次應(yīng)力載荷的疊加，考慮8種工況：

（1）WIN1;（2）WIN2; （3）U1+U2;（4）U2+U3; （5）W+P1+H +WIN1; （6）W+P1+H +WIN2; （7）W+P1+H +U1+U2; （8）W+P1+H +U2+U3;

二次應(yīng)力工況（EXP）：

二次應(yīng)力工況分析管道延程存在的溫度差對(duì)管道的影響，考慮7種工況：

（1）D1+T1;（2）D1+T2;（3）D1+T3;（4）D2+T1;（5）D3+T1;（6）T1;（7）T2-T3。

對(duì)上述工況中的縮略語的含義解釋，如下表所示：

4.2 模型的建立

由于單個(gè)管道的管徑不同，在管道支架跨距選取過程中將存在區(qū)別，大口徑管道（如46寸）剛度強(qiáng)，柔性差，因此為了經(jīng)濟(jì)，在設(shè)計(jì)中管道支吊架的跨度較遠(yuǎn)， 46寸的薄壁管道最大跨度選定為12.51m，而對(duì)于小管徑管道（如10寸）薄壁管道的最大跨度選定為9.33m。

地基的不均勻沉降對(duì)不同管徑的管道影響也不同，可以認(rèn)為對(duì)于剛度較大的管道，當(dāng)發(fā)生差異沉降時(shí)相當(dāng)于增大管道的跨度;對(duì)于剛性較小的管道，由于管道柔性大而易變形，變形后會(huì)得到管道支吊架的支撐，不會(huì)造成懸空或拉脫的情況，相對(duì)影響較小。結(jié)合站內(nèi)主要管徑管道的分布特點(diǎn)，重點(diǎn)選擇分析鋪設(shè)在管廊架上的46寸管徑的管道作為建?；A(chǔ)條件，分析計(jì)算不均勻沉降對(duì)其應(yīng)力的影響。

根據(jù)管道尺寸、厚度及柔性參數(shù)，搭建管道應(yīng)力模型分析，如圖3：

4.3 不同沉降條件的影響

按照建設(shè)方提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)單位在計(jì)算管道應(yīng)力時(shí)一般都滿足規(guī)范要求，為了分析地基沉降對(duì)管道應(yīng)力的影響，該計(jì)算假定一段160m的管道可能發(fā)生的不均勻沉降的極端情況，管廊架中點(diǎn)處沉降位移量最大，管廊架整體呈現(xiàn)出“V”字形。相鄰支架位移量按照0.003L的距離進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

按照樁基礎(chǔ)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，樁基礎(chǔ)在規(guī)定允許范圍內(nèi)的沉降必然會(huì)對(duì)管道應(yīng)力造成影響。綜合上述分析及模型搭建的計(jì)算結(jié)果，某接收站管道的應(yīng)力設(shè)計(jì)比較保守，在不均勻沉降達(dá)到240mm條件下，該管道的應(yīng)力值占許用應(yīng)力值的比例較低，相對(duì)而言存在較大的安全余量，不構(gòu)成對(duì)管道的實(shí)體破壞。

5 沉降發(fā)生后的補(bǔ)救措施

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范HGT 20670-2000《化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定》，管架基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)過程中可不作地基變形計(jì)算，但是對(duì)于軟地基或支撐重型設(shè)備的管廊，必須考慮一定量的地基沉降值。實(shí)際項(xiàng)目已經(jīng)遇到了地基不均勻沉降的情況，下面將分情況討論，如何應(yīng)對(duì)不同程度的地基沉降及推薦工程項(xiàng)目采用的補(bǔ)救措施，具體內(nèi)容如下。

5.1 沉降初期的處理措施

對(duì)于已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的LNG接收站項(xiàng)目，站內(nèi)管道及管廊架長(zhǎng)期受到風(fēng)載、雪載、重力等環(huán)境因素的影響，加上陸域形成時(shí)間短，其所在區(qū)域的地基或多或少會(huì)發(fā)生沉降。在沉降初期，此時(shí)沉降量在一定范圍內(nèi)（不大于0.003L，L為相鄰柱基的中心距離）且沉降速率相當(dāng)穩(wěn)定，建議采用以下方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)：

（1）首先制定沉降監(jiān)測(cè)方案，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的沉降值進(jìn)行系統(tǒng)性數(shù)據(jù)測(cè)量與統(tǒng)計(jì)，明確管廊架沉降的位置，定期完成沉降數(shù)據(jù)的整理與分

析。

（2）對(duì)管道重新進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算校核，結(jié)合原有的配管詳細(xì)設(shè)計(jì)文件（含ISO圖），同時(shí)以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況為準(zhǔn)，建立管道三維模型。綜合考慮管道尺寸、材質(zhì)、管廊架設(shè)計(jì)、介質(zhì)、保溫（保冷）、沉降值等邊界數(shù)據(jù)條件。

（3）對(duì)比原設(shè)計(jì)值與發(fā)生沉降后的管道受力情況，假如沉降已經(jīng)對(duì)管道產(chǎn)生影響，并對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)構(gòu)成安全隱患（但沉降值在可控范圍內(nèi)），此時(shí)可采用在管廊架與管道之間設(shè)置鋼板墊厚的處理方案。

（4）另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，如果鋼板墊厚的方案不容易操作或效果有限，那么可以考慮將原有管托加高、更換管托類型等補(bǔ)救措施。

5.2 沉降量過大的處理措施

大部分LNG接收站的場(chǎng)地是由填海造陸而成，在項(xiàng)目長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的過程中，地基發(fā)生沉降的風(fēng)險(xiǎn)很高，從已獲取的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，LNG接收站項(xiàng)目管廊架沉降量都小于規(guī)范要求。

假定管廊架沉降量過大，且無法依靠上述沉降初期的方案解決問題，那么就需要考慮從土建施工的角度提出應(yīng)對(duì)措施，具體描述如下：

（1）當(dāng)沉降量過大，但是已形成穩(wěn)定沉降時(shí)，可以考慮鋼板墊厚、管托加高、更換管托、設(shè)置地面支架（如有地面已硬化）等方案綜合使用。

（2）當(dāng)沉降量過大，并且沉降未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，為了保障項(xiàng)目的生產(chǎn)安全運(yùn)營(yíng)，建議基于應(yīng)力應(yīng)變分析，在沉降量較大的局部區(qū)域，替換管廊架，并對(duì)原有的樁基礎(chǔ)進(jìn)行加長(zhǎng)、加密處理。

6 結(jié)語

不同類型、尺寸、材質(zhì)、保溫（保冷）狀態(tài)的管道都有不同的變形監(jiān)測(cè)方式和處理方法，對(duì)某一項(xiàng)目具體的管道而言，流程完整的管線應(yīng)變和應(yīng)力分析計(jì)算，首先要收集該項(xiàng)目的基礎(chǔ)存檔資料和設(shè)計(jì)文件，包括港工、土建、結(jié)構(gòu)、工藝、配管等專業(yè)的具體內(nèi)容，從根本上了解該管道的參數(shù)設(shè)置。

其次，需要對(duì)目標(biāo)管道所處的外在環(huán)境條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立全廠高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)或重點(diǎn)區(qū)域的災(zāi)害類型分析數(shù)據(jù)庫(kù)，將高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域納入專題管理，并盡可能開展爆炸風(fēng)險(xiǎn)模擬，結(jié)合項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)情況，長(zhǎng)期或定期開展管道應(yīng)變應(yīng)力分析工作，提出應(yīng)對(duì)沉降的整體解決方案。

通過對(duì)某LNG接收站突然沉降區(qū)域的整體分析與計(jì)算，目標(biāo)管道最初的設(shè)計(jì)值還是比較保守的，存在較大的安全余量，沉降發(fā)生后管道應(yīng)力值占許用應(yīng)力值的比例較低，初期不會(huì)發(fā)生管道受損的情況。但是如果沉降值過大，會(huì)發(fā)生管道局部受力急劇升高的情況，大尺寸管道尤為明顯，建議現(xiàn)場(chǎng)定期監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)沉降值超標(biāo)，應(yīng)立即啟動(dòng)管線應(yīng)變應(yīng)力的分析計(jì)算及校核工作，為天然氣管道的安全運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。

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