西氣東輸二線取壓點改造及應(yīng)力分析

張海寧，趙 云，張強(qiáng)德，趙吉龍

(中國石油西部管道分公司 新疆 烏魯木齊 833600)

0 引 言

西氣東輸二線是我國第一條引進(jìn)境外天然氣的大型管道工程，干線全長4 895 km。為保證管道長期、平穩(wěn)、安全運行，每間隔一定距離、在特殊地段兩側(cè)及進(jìn)出站管線上均需按規(guī)定設(shè)置截斷閥室，以便發(fā)生爆管時緊急切斷管路，降低事故風(fēng)險[1]。截斷閥室內(nèi)的氣液聯(lián)動閥均采用壁厚5 mm、直徑34.5 mm的鋼管作為動力引壓管，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動力源[2]。動力引壓管與埋地主管線焊接，由于土壤沉降和其他機(jī)械動作，埋地部分的引壓管不可避免地會發(fā)生變形或損壞，可能造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的異常關(guān)斷[3]。為避免引壓管失效造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)異常，在實際工程中對引壓管的結(jié)構(gòu)、鋪設(shè)和布置方式等進(jìn)行了多種形式的改進(jìn)[4-5]，但效果均不理想。本文提出了一種取壓點改造方案，并對改造后的取壓點進(jìn)行建模，分析了環(huán)境溫度、輸氣溫度和輸氣壓力等影響因素對剩余引壓管應(yīng)力的影響，對改造方案的可行性進(jìn)行了評估。

1 改造方案

本文提出了一種取壓點改造方案，如圖1所示?？傮w思路為：在取壓點位置開挖作業(yè)坑，采用在線封堵技術(shù)[6]截斷主管線引壓點上方的引壓管，僅保留150 mm，然后將剩余引壓管進(jìn)行封堵，氣液聯(lián)動閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力源改由外部接入。進(jìn)行取壓點改造時，盡量選擇主管線檢修或停輸時進(jìn)行，保證施工作業(yè)安全。在改造完成后，考慮到剩余引壓管較短，土方回填可能會因土壤的沉降作用對剩余引壓管造成損傷，因此采用管溝的方式進(jìn)行處理，即在取壓點附近開挖管溝，做好周圍土壤的防護(hù)，在管溝上方鋪設(shè)蓋板。這樣不僅可以避免剩余引壓管的受力，且便于日常檢修和維護(hù)。

改造之后，取壓點處的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，因此需要對取壓點處的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行應(yīng)力分析。對于埋地管道，主要受到土壤壓力、自身重力、管道內(nèi)部的壓力和溫度引起的應(yīng)力的作用[7]。對于天然氣長輸管道，在天然氣輸送過程中，管道內(nèi)的輸氣壓力和輸氣溫度的波動，是天然氣管道受力的主要影響因素[8-12]。由于本次改造過程僅涉及取壓點處的結(jié)構(gòu)改變，因此，本文僅分析環(huán)境溫度、輸氣溫度和輸氣壓力對管道內(nèi)壓力和溫度應(yīng)力的影響。

圖1 引壓管改造方案示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

本文主要是針對改造后取壓點處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，因此只截取主管線的一段進(jìn)行建模，模型主要包括主管線和剩余引壓管。主管線模型為西氣東輸二線中常用的管徑為1 016 mm的輸氣管道。在主管線上開一個孔作為取壓點，剩余引壓管的一端焊接在取壓點上方，另一端為封閉結(jié)構(gòu)，長度為150 mm。采用SOLID70(三維8節(jié)點實體熱單元)和SOLID185(三維8節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元)兩種模型單元進(jìn)行溫度和應(yīng)力分析。完整模型如圖2所示。

圖2 完整的三維模型

2.2 材料設(shè)定

天然氣主管線和引壓管材料均為鋼，彈性模量為203.40 GPa，泊松比為0.29，主管線材料為X70鋼，屈服強(qiáng)度為485 MPa，引壓管材料為B級鋼，屈服強(qiáng)度為245 MPa。

2.3 邊界條件和載荷施加

改造后，主管線上方采用管溝的方式進(jìn)行處理，因此土壤對管道施加的外力并不會影響取壓口處的應(yīng)力分析。剩余引壓管與主管線采用固定連接。主管線和剩余引壓管處應(yīng)力主要是天然氣輸送過程中輸氣壓力引起的應(yīng)力和管道內(nèi)外溫差引起的熱應(yīng)力。管道的輸氣壓力和溫度均勻施加在主管線和引壓管的內(nèi)壁，管道外壁的溫度隨環(huán)境溫度的變化而變化。在熱分析時，由于主管線上方已鋪設(shè)蓋板，因此不考慮主管線上方的空氣對流傳熱，只考慮由內(nèi)外溫差引起的管壁導(dǎo)熱。

2.4 求解方法

本文采用間接法對溫度-應(yīng)力耦合進(jìn)行計算。首先在主管線和引壓管的內(nèi)外施加溫度載荷，采用SOLID70單元對模型的溫度場進(jìn)行分析，獲得模型的溫度場分布，然后將分析單元轉(zhuǎn)化為SOLID185單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，定義材料隨溫度變化的屬性，施加溫度載荷，并在管道內(nèi)壁施加輸氣壓力載荷[13]。

3 結(jié)果與討論

3.1 環(huán)境溫度對剩余引壓管應(yīng)力的影響

對于管溝式鋪設(shè)的管道，管道外壁的溫度隨環(huán)境溫度變化。在較大的溫度載荷作用下，管道材料的力學(xué)性能可能會發(fā)生變化，嚴(yán)重時可能出現(xiàn)管道破裂。環(huán)境溫度對剩余引壓管應(yīng)力的影響如圖3所示。管道內(nèi)的輸氣壓力為設(shè)計壓力12 MPa，輸氣溫度為設(shè)計溫度55 ℃，環(huán)境溫度分別為-35 ℃，-15 ℃，0 ℃，15 ℃和35 ℃。由圖可見，隨著環(huán)境溫度的升高，內(nèi)外壁的溫差減小，剩余引壓管的最大應(yīng)力逐漸降低。從應(yīng)力的變化趨勢可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度超過0 ℃后，剩余引壓管應(yīng)力的降低速率略有降低，這種現(xiàn)象主要是由于剩余引壓管和主管線兩種材料的熱力學(xué)性能不同所致。當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時，可以對裸露在環(huán)境中的主管線和剩余引壓管進(jìn)行保溫處理，或在管溝的蓋板位置進(jìn)行保溫處理，通過提高主管線的環(huán)境溫度降低剩余引壓管的應(yīng)力。

圖3 環(huán)境溫度對剩余引壓管應(yīng)力的影響

由圖3的應(yīng)力值可以看出，最大應(yīng)力值均已超過引壓管材料的屈服強(qiáng)度，為了進(jìn)一步研究應(yīng)力分布情況，引壓管的應(yīng)力分布云圖如圖4所示。由圖可見，最大應(yīng)力發(fā)生在剩余引壓管與主管線連接的角焊縫處和主管線上，剩余引壓管其他位置的應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度。最大應(yīng)力值均小于主管線材料X70鋼的屈服強(qiáng)度。引壓管是在管道投產(chǎn)時已經(jīng)焊接好的，已經(jīng)充分考慮了角焊縫強(qiáng)度的問題。但由于改造過程中，需要對原引壓管進(jìn)行切割、封堵，因此，在改造完成后需要對焊縫的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度重新進(jìn)行評估。

圖4 不同環(huán)境溫度下剩余引壓管的應(yīng)力分布云圖

3.2 輸氣溫度對剩余引壓管應(yīng)力的影響

天然氣管道內(nèi)的輸氣溫度會隨著輸送距離逐漸發(fā)生變化，根據(jù)壓縮機(jī)進(jìn)出口輸氣溫度的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，壓縮機(jī)進(jìn)口正常工作溫度為22.1 ℃，壓縮機(jī)出口正常工作溫度為66.4 ℃。由此可見，管道內(nèi)的輸氣溫度隨著傳輸距離的增加逐漸降低。正常工作狀態(tài)下，輸氣溫度差為44.3 ℃。由于管道輸氣溫度的改變，管道內(nèi)外溫差也會發(fā)生改變，引起管道溫度應(yīng)力的變化。

輸氣溫度對剩余引壓管應(yīng)力的影響如圖5所示。管道內(nèi)的輸氣壓力12 MPa，環(huán)境溫度-35 ℃，輸氣溫度分別為10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃和55 ℃。由圖可見，隨著輸氣溫度的增加，管道內(nèi)外壁的溫差逐漸加大，管道的應(yīng)力值升高。最大應(yīng)力值均超出引壓管材料的應(yīng)力值。為了進(jìn)一步研究剩余引壓管應(yīng)力值的分布情況，剩余引壓管的應(yīng)力分布云圖如圖6所示。由圖可見，剩余引壓管角焊縫處仍然是應(yīng)力較為集中的部位，剩余引壓管其他位置的應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度。

圖5 輸氣溫度對剩余引壓管應(yīng)力的影響

輸氣溫度和環(huán)境溫度對剩余引壓管應(yīng)力的影響相似，管道應(yīng)力都是受管道內(nèi)外溫度差的作用，使管道材料在不同溫差下呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，特別是在溫差較大的條件下，管道會出現(xiàn)較大的應(yīng)力，最終使管道發(fā)生裂紋或破壞。因此，建議在管溝內(nèi)，特別是距離壓縮機(jī)出口較近的管溝內(nèi)，增加保溫設(shè)施，提高管溝內(nèi)的溫度，從而降低管道內(nèi)外的溫差，避免剩余引壓管的應(yīng)力過大造成管道損壞。同時，還要對改造后的剩余引壓管根部角焊縫處的強(qiáng)度再次進(jìn)行評估，必要時要對角焊縫的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)。

圖6 不同輸氣溫度下剩余引壓管的應(yīng)力分布云圖

3.3 輸氣壓力對剩余引壓管應(yīng)力的影響

天然氣管道的輸氣壓力與輸氣溫度一樣，隨著輸送距離的增加而降低。壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力的統(tǒng)計結(jié)果顯示，壓縮機(jī)進(jìn)出口的設(shè)計壓力為12 MPa，在實際運行過程中，壓縮機(jī)平均進(jìn)口壓力7.42 MPa，壓縮機(jī)平均出口壓力11.8 MPa。由此可見，在輸氣過程中，輸氣的壓力損失較大。輸氣壓力對引壓管應(yīng)力的影響如圖7所示，環(huán)境溫度-35 ℃，輸氣溫度55 ℃，輸氣壓力分別為6 MPa、9 MPa和12 MPa。由圖可見，輸氣壓力越高，管道承受的內(nèi)壓越大，在溫度載荷的作用下管道越容易發(fā)生損壞。剩余引壓管的應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖可見，剩余引壓管的應(yīng)力主要集中于角焊縫和主管線處，剩余引壓管其他位置的應(yīng)力值相對較小。

圖7 不同輸氣壓力對剩余引壓管應(yīng)力的影響

圖8 不同輸氣壓力下剩余引壓管的應(yīng)力分布云圖

改造后的取壓點，特別是在壓縮機(jī)出口位置的取壓點，天然氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓升溫后，壓力可達(dá)到設(shè)計壓力，此時，在輸氣壓力和溫度的共同作用下，剩余引壓管的應(yīng)力會顯著提高，但為了保證天然氣的有效傳輸，輸氣壓力和溫度不能降低，但可以通過提高環(huán)境溫度降低剩余引壓管的應(yīng)力值，因此，靠近壓縮機(jī)出口位置的管溝的保溫措施是必不可少的。

4 結(jié) 論

1)提出了一種取壓點改造方案，通過在線封堵技術(shù)對動力引壓管進(jìn)行截斷封堵，氣液聯(lián)動閥的動力源改由外部接入。改造后，取壓點附近的主管線采用管溝式處理方式，便于日常檢修和維護(hù)。

2)環(huán)境溫度和輸氣溫度的變化會導(dǎo)致剩余引壓管內(nèi)外溫差變化，且內(nèi)外溫差越大，剩余引壓管應(yīng)力越大，最大應(yīng)力位于剩余引壓管的角焊縫處和主管線上，其他位置的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。

3)輸氣壓力對剩余引壓管應(yīng)力有影響，且隨著輸氣壓力升高，剩余引壓管應(yīng)力增加，最大應(yīng)力位于剩余引壓管的角焊縫處和主管線上。

4)壓縮機(jī)出口處主管線的輸氣溫度和輸氣壓力較高，因此靠近壓縮機(jī)出口位置的剩余引壓管應(yīng)力值較大，改造后，需要對該處的角焊縫強(qiáng)度重新進(jìn)行校核，并采取適當(dāng)?shù)谋卮胧┙档褪Ｓ嘁龎汗艿膽?yīng)力。