輸氣管道特殊管段應(yīng)力分析及安全性研究

周震巖 王小偉 康凱 薄永澤 王強(qiáng)

摘要：管道作為天然氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞?，在我國石油和天然氣行業(yè)中又越來越廣泛，因此一旦管道發(fā)生破壞，就會造成嚴(yán)重的后果。在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要加強(qiáng)對輸氣管道的應(yīng)力研究分析。針對管道所需要經(jīng)過的人口密集區(qū)，隧道、障礙物等特位，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)其安全檢測，才能夠有效提高數(shù)據(jù)管道的安全性，因此需要重點(diǎn)對輸氣管道特殊管段的應(yīng)力分析和安全性研究。

關(guān)鍵詞：輸氣管道;特殊管段;應(yīng)力分析

輸氣管道通常情況下是運(yùn)送液體、氣體的密封設(shè)備，在使用過程中需要承載一定的壓力，因此對輸氣管道的安全性提出了更高的要求。合理分析輸氣管道的應(yīng)力分析和選擇合適的設(shè)計方法非常重要。在確保輸氣管道的正常使用的前提下，在最大程度上實(shí)現(xiàn)輸氣管道的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。我國根據(jù)輸氣管道的使用情況，出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)要求等。不斷對輸氣管道進(jìn)行改進(jìn)，使輸氣管道的設(shè)計，制造，檢驗(yàn)以及使用等環(huán)節(jié)都能得到充分保障，實(shí)現(xiàn)了壓力輸氣管道的迅速發(fā)展。

1輸氣管道特殊管段應(yīng)力分析及安全性研究概述

管道應(yīng)力分析是對管道的力學(xué)進(jìn)行計算和評價，通過管道應(yīng)力分析能夠有效了解到管道的內(nèi)力、位移和應(yīng)力的物理學(xué)量，通過相應(yīng)的評價工作，能夠得出管道在運(yùn)行過程中是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)。因此管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，通過管道應(yīng)力分析，不僅可以提高管道設(shè)計的可靠性，而且還能夠提高管道的安全性，降低其造價成本。

管道在運(yùn)行過程中所受到的荷載較多，不同的荷載會對管道產(chǎn)生不同的影響，因此在實(shí)際運(yùn)營過程中，需要采用不同的方法進(jìn)行分析，根據(jù)荷載的變化特點(diǎn)通常情況下應(yīng)力分析可以分為靜力分析和動力分析。荷載不會隨著時間發(fā)生變化或者發(fā)生較慢的現(xiàn)象稱之為靜力分析。荷載隨著時間變化而快速變化導(dǎo)致管道產(chǎn)生慣性力的分析為動力分析。經(jīng)理分析根據(jù)應(yīng)力的特點(diǎn)，有多種的計算方法，常見的應(yīng)力方法，包括壓力荷載下的強(qiáng)度進(jìn)行壓力荷載和持續(xù)外載的強(qiáng)度計算，動力分析根據(jù)荷載特點(diǎn)分為沖擊振動、周期振動和隨機(jī)振動計算。

2應(yīng)力分析的基本假設(shè)

在進(jìn)行輸氣管道應(yīng)力分析過程中需要加強(qiáng)對管道材料物理性質(zhì)以及構(gòu)成的研究，因此在實(shí)際運(yùn)行過程中，相關(guān)的應(yīng)力分析問題就會變得復(fù)雜化，需要提出相應(yīng)的假設(shè)，才能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性。

（1）管道的物質(zhì)結(jié)構(gòu)保持連續(xù)性。假設(shè)管道內(nèi)部完全有連續(xù)的介質(zhì)充滿沒有空隙，這樣在發(fā)生應(yīng)力分析時能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)性。

（2）管道的彈性變形范圍為完全彈性。作用在管道外力撤除以后物體能夠恢復(fù)到原有的狀態(tài)，并且沒有發(fā)生任何變形，完全的彈性物體符合胡可定律，即應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)出正比例關(guān)系。

（3）管道的物質(zhì)結(jié)構(gòu)是均勻性，由于整個管道是由相同材料構(gòu)成，因此在物體中的任何細(xì)小單元在方向上都是相同的，在進(jìn)行應(yīng)力分析時，不會隨著應(yīng)力的變化而導(dǎo)致方向發(fā)生變化。

3有限元應(yīng)力分析

傳統(tǒng)的輸氣管道設(shè)計方法是簡單計算得到薄膜應(yīng)力或者彎曲應(yīng)力，利用單一的許用應(yīng)力來設(shè)計輸氣管道壁厚，這樣的做法能夠減少復(fù)雜的程序，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中會不符合實(shí)際生理情況。在輸氣管道的工作條件下，不僅會受到薄膜應(yīng)力，還會受到彎曲應(yīng)力，熱影力等影響，因此在實(shí)際輸氣管道的分析方法中，數(shù)值分析法是一種比較常見的方法。輸氣管道的應(yīng)力分析主要包括：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力是指在外荷載的基礎(chǔ)上，能夠滿足基本平衡條件的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。二次應(yīng)力是指輸氣管道內(nèi)部部件與相鄰部件之間的結(jié)構(gòu)約束，自身結(jié)構(gòu)約束會引起法向應(yīng)力和剪應(yīng)力;峰值應(yīng)力式輸氣管道內(nèi)部分結(jié)構(gòu)不連續(xù)或者局部熱應(yīng)力集中在一起，從而引起一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之和的應(yīng)力增量，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，峰值應(yīng)力形成的過程中具有最高應(yīng)力值。采用第三強(qiáng)度理論可以進(jìn)行應(yīng)力分析和應(yīng)力分類，因此對輸氣管道內(nèi)進(jìn)行應(yīng)力分析時需要對第三強(qiáng)度理論進(jìn)行細(xì)化研究。隨著有限元分析軟件的不斷發(fā)展，有限元分析軟件的功能也在不斷完善，有限元分析軟件已經(jīng)成為彈性應(yīng)力分析的主要方式。利用等效線性化處理方法，可以使有限元分析軟件進(jìn)行應(yīng)力分析及評定，在實(shí)際計算過程當(dāng)中，有限元分析軟件并不能直接得到應(yīng)力的表達(dá)公式，因此在進(jìn)行線性化時，應(yīng)當(dāng)通過對輸氣管道的應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行分析從而得出應(yīng)力分布曲線，然后利用積分可以得出相應(yīng)值，才能夠計算各項(xiàng)應(yīng)力。

4提高輸氣管道特殊管段安全性的措施

4.1完善輸氣管道的安全管理制度

由于輸氣管道施工單位技術(shù)水平存在差異，因此需要對施工單位進(jìn)行差別化的監(jiān)督管理，在進(jìn)行輸氣管道建設(shè)過程中，要及時了解施工單位的技術(shù)水平，對承接項(xiàng)目工程的地理環(huán)境以及施工難點(diǎn)進(jìn)行分析，及時掌握施工單位的質(zhì)量管理水平，并對施工單位進(jìn)行差異化管理，才能夠?qū)崿F(xiàn)對輸氣管道安全管理的全面化，防止因?yàn)榧夹g(shù)水平原因而導(dǎo)致輸氣管道出現(xiàn)安全風(fēng)險事故，及時對施工單位的施工進(jìn)度進(jìn)行巡檢，對于輸氣管道的特殊管段要進(jìn)行全程監(jiān)控，抓好質(zhì)量控制，從而實(shí)現(xiàn)輸氣管道的安全管理。

4.2提高輸氣管道的技術(shù)水平

需要對輸氣管道工程的方式不斷創(chuàng)新，在利用管道進(jìn)行運(yùn)輸?shù)耐瑫r，還需要拓展更為先進(jìn)的運(yùn)輸方式，在采用管道運(yùn)輸過程中，需要定期對管道進(jìn)行維修和排查，淘汰一些較為落后，使用時間過長的管道。不斷提高輸氣管道的研發(fā)力度，采用更為先進(jìn)的管道材質(zhì)來提高管道運(yùn)輸材料的耐用性和防腐性。另外，還需要提高工作人員的技術(shù)水平，注重培養(yǎng)專業(yè)性技術(shù)人才，為油氣儲運(yùn)工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

5結(jié)束語

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對輸氣管道的設(shè)計方法提出了更高的要求，不同的設(shè)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)輸氣管道的不同作用。因此，在實(shí)際使用過程中選擇合適的設(shè)計方法非常重要。不斷改善設(shè)計方法，能夠有效提高輸氣管道的安全性和有效性。另外，對輸氣管道的設(shè)計方法進(jìn)行評價，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計方法中所存在的問題，進(jìn)而提出相應(yīng)的解決措施，能夠有效提高輸氣管道的發(fā)展。

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