試壓工況下盾構(gòu)隧道內(nèi)輸氣管道應(yīng)力分析

吳曉南 舒浩紋 昝林峰 蔣 喜 胡道華 謝 箴

1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2.中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司

目前油氣管道設(shè)計常常依靠經(jīng)驗參數(shù)，隧道內(nèi)管道應(yīng)力分布情況不清楚，因此，不能保證管道的安全運行[1]。此外，除了設(shè)計不合理、施工質(zhì)量問題、管道腐蝕失效、管道疲勞失效等原因外，構(gòu)成油氣管道安全運行風(fēng)險還有一個重要的因素是管道穿越時特殊管段由于應(yīng)力集中而不能滿足強度要求，從而產(chǎn)生失效破壞[2－3]。

管道試壓是管道施工的重要工序，是對管道施工質(zhì)量、材料性能、管道整體性能的一次綜合檢驗，也是對管道工程在生產(chǎn)中能否在設(shè)計壓力下安全運行的一次檢驗。通過管道強度試壓可以驗證管道的整體強度，檢驗其能否承受生產(chǎn)運行的壓力，還可以為提高管道輸量、增加管道輸送能力提供試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)SY／T 0015.1—1998《原油和天然氣輸送管道穿跨越工程設(shè)計規(guī)范—穿越工程》6.2.1的規(guī)定，大、中型水域、鐵路及Ⅱ級以上公路的穿越管段，必須獨立進行強度試壓和嚴密性試驗，合格后再同相鄰管段連接。

1 管道應(yīng)力分類及校核標準

1.1 管道應(yīng)力分類

管道的基本應(yīng)力有軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和剪應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力的基本特征又可將應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。

一次應(yīng)力是由于外載荷作用而在管道內(nèi)部產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它滿足與外力平衡的條件，始終隨外載荷的增加而增加，最終達到破壞。因此，一次應(yīng)力是非自限性的[4]。

二次應(yīng)力是由于管道變形受約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它本身不直接與外載荷相平衡。當(dāng)材料是塑性材料時，在較大二次應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，與之相鄰部分的約束得到緩解，變形趨向協(xié)調(diào)，二次應(yīng)力不再繼續(xù)增大，自動地限制在一定的范圍內(nèi)。因此，二次應(yīng)力是自限性的。同時，二次應(yīng)力作用的區(qū)域范圍限制在局部區(qū)域內(nèi)，所以二次應(yīng)力還具有局部性[5]。

1.2 校核標準

輸氣管道穿越工程應(yīng)單獨進行試壓，鑒于輸氣管道隧道穿越工程的重要性，并且考慮到一旦管道埋沒后返工或維修很困難，根據(jù)SY／T 0015.1—1998《原油和天然氣輸送管道穿跨越工程設(shè)計規(guī)范—穿越工程》6.2.2的規(guī)定，油氣輸運管道的穿越管段試壓介質(zhì)、試壓壓力和試壓時間分別按現(xiàn)行國家標準GB 50253和GB 50251規(guī)定執(zhí)行[6]。大、中型穿越管段的強度試驗壓力按下式計算。

式中pt為強度試驗壓力，MPa；δ為鋼管設(shè)計壁厚，mm；σs為鋼管規(guī)定的屈服極限，MPa；D為鋼管外徑，mm。

根據(jù)GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》10.2.3的規(guī)定：用水作為試壓介質(zhì)時，每個管段的自然高差應(yīng)保證最低點環(huán)向應(yīng)力不大于0.9σs，水質(zhì)為無腐蝕性潔凈水；試壓宜在5℃以上的環(huán)境溫度下進行，否則，應(yīng)采取防凍措施；注水宜連續(xù)，排除管線內(nèi)的氣體；水試壓合格后，必須將管段內(nèi)積水清掃干凈。

試壓工況下輸氣管道內(nèi)介質(zhì)溫度可以選為自然水常年平均溫度20℃。

國外應(yīng)用得較為廣泛的管道應(yīng)力分析軟件是CAESARⅡ，其理論采用梁單元的有限元方法，在其管道應(yīng)力校核方法上，主要遵循的是ASME B31.8的相關(guān)規(guī)定[7－15]。本文使用 CAESARⅡ軟件對管道進行應(yīng)力分析。

2 試壓工況下管道應(yīng)力分析模型

筆者試壓工況下隧道內(nèi)輸氣管道露空安裝，管內(nèi)介質(zhì)為潔凈水，溫度選為自然水常年平均溫度20℃。應(yīng)力分析包括管道自重（W）、內(nèi)壓（p）所產(chǎn)生應(yīng)力的分析。

2.1 模型輸入

模型輸入包括描述管道單元及作用在單元節(jié)點上的外部影響（邊界條件或載荷）、管道系統(tǒng)靜力分析需要的計算條件（溫度、壓力等）、管道材料特性（楊氏彈性模量、線膨脹系數(shù)、基本許用應(yīng)力等）、管道尺寸（直徑、壁厚、長度）、空間走向、約束方式等作為基本數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)沿管道變化，整個管道系統(tǒng)劃分成多個單元，每個單元由兩個節(jié)點組成。

2.2 確定約束

輸入管道系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況將固定墩約束的力學(xué)模型設(shè)定為不能發(fā)生位移的全固定約束，但能承受彎矩、剪力、軸力；支墩約束的力學(xué)模型設(shè)定為垂直向上的支撐約束及管道環(huán)向約束，不能承受彎矩和軸力。

2.3 建立荷載工況

靜態(tài)分析的第一步就是建立管道的荷載工況。分析的工況包括試壓條件下的一次應(yīng)力計算工況及二次應(yīng)力計算工況。

依據(jù)ASME B31.8《氣體運輸和分配系統(tǒng)的管道標準》，隧道內(nèi)管道處于較為封閉的環(huán)境，并有支墩、錨固墩和支吊架，所以靜力分析時主要校核自重（W）、內(nèi)壓（p）和溫度（T）的應(yīng)力。

試壓條件下應(yīng)力影響因素的疊加計算：

式中L1為計算管道系統(tǒng)對邊界的推力。

一次應(yīng)力計算工況下的載荷疊加計算：

式中L2為管道系統(tǒng)中各點的一次應(yīng)力值。

二次應(yīng)力計算工況下的載荷疊加計算：

式中L3為管道系統(tǒng)中各點的二次應(yīng)力值。

檢查無誤后，軟件即開始對所建立的模型進行靜態(tài)分析。

3 實例模型建立及應(yīng)力分析

3.1 基本參數(shù)和數(shù)據(jù)

以XX隧道穿越管道為例，根據(jù)SY／T 0015.1—1998《原油和天然氣輸送管道穿跨越工程設(shè)計規(guī)范—穿越工程》6.2.2計算得到管道的試壓壓力為21.2 MPa，試壓介質(zhì)為清水，試壓溫度為20℃，輸氣管道的工作溫度為40℃，建立試壓工況下的應(yīng)力分析模型。表1為該管道的參數(shù)表。

表1 管道參數(shù)表

根據(jù)XX隧道穿越管道設(shè)計資料，隧道穿越的總長度為2 246.7m，隧道內(nèi)全部采用露空與管架支撐形式，在隧道進口和出口處分別設(shè)置錨固墩1和錨固墩3，用以截斷隧道外管道對隧道內(nèi)管道的影響。隧道進口豎井深度為26.87m，支吊架2個（第1個支吊架距隧道進口處5.4m），2個支吊架間距為2.816m；平巷長度為2 160m，平巷內(nèi)設(shè)置支墩，支墩間距為12 m，共設(shè)置支墩181個；隧道出口豎井深度為18.32 m，支吊架1個（距隧道出口處6.624m）；管道彎管處的曲率半徑為6D（D為管道外徑）。管道的材料為L485，管徑為914mm，壁厚為22.2mm，彎管壁厚為23.8mm。根據(jù)式（1）計算得到試驗壓力（pt）為21.2 MPa。XX隧道豎井盾構(gòu)穿越輸氣管道具體布局如圖1所示。

圖1 XX隧道豎井盾構(gòu)穿越輸氣管道布局示意圖

3.2 實例模型

為了更好地分析管道在試壓工況下的受力情況，需要建立的模型有：管道系統(tǒng)起點模型、直管段模型、彎管段模型、豎直管段模型和整體管道模型。具體做法是用節(jié)點號按順序標記各管墩和彎管，輸入載荷分量數(shù)據(jù)（重量、熱工況等），再把點應(yīng)力值直接附加到輸氣管道各節(jié)點上（圖2、3）。

圖2 XX隧道穿越輸氣管道模型進氣區(qū)域示意圖

圖3 XX隧道穿越輸氣管道模型出氣區(qū)域示意圖

3.3 應(yīng)力分析

模型輸出內(nèi)容包括各個支撐情況分析、管線各點應(yīng)力校核、錨固墩受力情況分析和管線各點位移分析等。從試壓工況下的應(yīng)力輸出分析結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力產(chǎn)生在2個彎管處，說明隧道內(nèi)輸氣管道的集中應(yīng)力主要位于彎管處。表2～5是試壓工況下各節(jié)點的最高環(huán)向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及軸應(yīng)力（集中應(yīng)力）的校核情況。

由表2～5可知，最高操作態(tài)綜合應(yīng)力產(chǎn)生在管道彎管3處，管道系統(tǒng)單元170～180即管道76～82m處的最高操作態(tài)應(yīng)力為397.46MPa，最高操作態(tài)應(yīng)力比率為91.503 4%，綜合應(yīng)力主要產(chǎn)生在彎管3處，一次、二次應(yīng)力及綜合應(yīng)力校核最高節(jié)點應(yīng)力均未超過434.37MPa，滿足管道的強度和柔性要求。

表2 一次應(yīng)力校核情況表

表3 二次應(yīng)力校核情況表

表4 綜合應(yīng)力校核情況表

表5 管道自重引起的應(yīng)力校核情況表

圖4為試壓工況下應(yīng)力比率的變化情況，從圖4可以看出：

圖4 試壓工況下應(yīng)力比率的變化圖

1）在試壓工況下的一次應(yīng)力和綜合應(yīng)力校核中，最大應(yīng)力產(chǎn)生的位置都在管道的彎管3處，產(chǎn)生最大二次應(yīng)力的位置在管道的彎管2處，說明彎管是應(yīng)力危險截面處。

2）二次應(yīng)力遠小于一次應(yīng)力，二次應(yīng)力只占管道綜合應(yīng)力的2.88%，所占比例很小。由于二次應(yīng)力反映的是溫度對管道應(yīng)力的影響，故在試壓工況下，溫度對管道應(yīng)力的影響很小，可以忽略不計。

3）一次應(yīng)力占管道綜合應(yīng)力的97.12%，故占管道應(yīng)力的大部分。同時，在管道自重對一次應(yīng)力影響的校核中，管道自重占一次應(yīng)力的8.9%，所占比例較小。因此，管道內(nèi)壓是產(chǎn)生一次應(yīng)力的主要因素。在一次應(yīng)力校核中發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中點在管道彎管3處，由于一次應(yīng)力反映的是管道內(nèi)壓和管道以及管內(nèi)介質(zhì)的自重對管道應(yīng)力的影響，因此，在試壓工況下，影響管道應(yīng)力的最主要因素是管道內(nèi)壓。

4 結(jié)束語

提出了采用CAESARⅡ建立試壓工況下豎井盾構(gòu)隧道穿越輸氣管道應(yīng)力分析模型的方法，根據(jù)軟件分析結(jié)果得到了輸氣管道的應(yīng)力分布情況，找到了管道應(yīng)力集中點，校核了管道強度。

通過對XX隧道穿越管道應(yīng)力進行分析，得到一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和綜合應(yīng)力最高應(yīng)力校核及管道的應(yīng)力分布情況。實例分析發(fā)現(xiàn)管道應(yīng)力的最大值在管道彎管3處 ，依據(jù)一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和自重引起的應(yīng)力對比，得出在試壓壓力較高的情況下，內(nèi)壓是產(chǎn)生管道應(yīng)力的主要因素，而且溫度、管道及管道內(nèi)介質(zhì)的自重對管道應(yīng)力的影響很小。

提出的管道應(yīng)力分析方法，可以比較詳盡地掌握隧道內(nèi)管道應(yīng)力的分布情況，為豎井穿越管道線路設(shè)計提供了有效的數(shù)據(jù)支持，能減少應(yīng)力集中引起的管道失效。由于試壓壓力遠大于運行壓力，為保證穿越管道的安全運行，建議在穿越管道的設(shè)計中進行試壓工況下的應(yīng)力分析，找出應(yīng)力集中點，并采取相應(yīng)工程措施。

[1]岳進才.壓力管道技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2006.YUE Jincai.The technology of pressure pipeline[M].Beijing：China Petrochemical Press，2006.

[2]向勇.西氣東輸中衛(wèi)黃河隧道設(shè)計[J].石油工程建設(shè)，2011，37（3）：51－57.XIANG Yong.Tunnel design of Huanghe Zhongwei at West－East Gas Transmission[J].Petroleum Engineering Construction，2011，37（3）：51－57.

[3]彭星煜，梁光川，張鵬，等.人工爆破地震作用下輸氣管道動力響應(yīng)分析[J].天然氣工業(yè)，2012，32（11）：81－84.PENG Xingyu，LIANG Guangchuan，ZHANG Peng，et al.Dynamic response for buried gas pipelines under artificial explosion[J].Natural Gas Industry，2012，32（11）：81－84.

[4]唐永進.壓力管道應(yīng)力分析[M].2版.北京：中國石化出版社，2007.TANG Yongjin.Analysis of penstock[M].2ndEdition.Beijing：China Petrochemical Press，2007.

[5]于浦義，張德姜，唐永進，等.石油化工壓力管道設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.YU Puyi，ZHANG Dejiang，TANG Yongjin，et al.Petroleum chemical pressure piping design manual[M].Beijing：Chemical Industry Press，2010.

[6]隋之鋒.輸氣管道特殊管段應(yīng)力分析及安全性研究[D].北京：中國石油大學(xué)，2009.SUI Zhifeng.The stress analysis of special pipe section and safety study of the gas pipeline[D].Beijing：China Univer－sity of Petroleum，2009.

[7]中華人民共和國城鄉(xiāng)住房建設(shè)部.GB 50251—2003輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范[S].北京：石油工業(yè)出版社，2004.Ministry of Housing and Urbon－Rural Development of the People＇s Republic of China.GB 50251－2003Gas pipeline engineering design specifications[S].Beijing：Petroleum Industry Press，2004.

[8]AMSE.AMSE B31.8輸氣和配氣管線系統(tǒng)管道標準[S].北京：石油工業(yè)出版社，2004.American Society of Mechanical Engineers.AMSE B31.8 Gas transmission and distribution piping systems[S].Beijing：Petroleum Industry Press，2004.

[9]中華人民共和國城鄉(xiāng)住房建設(shè)部.GB 50423—2007油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范[S].北京：石油工業(yè)出版社，2008.Ministry of Housing and Urban－Rural Development of the People＇s Republic of China.GB 50423－2007Oil and gas pipeline through engineering design specifications[S].Beijing：Petroleum Industry Press，2008.

[10]郎需慶，趙志勇，宮宏，等.油氣管道事故統(tǒng)計分析與安全運行對策[J].安全、健康和環(huán)境，2006，6（10）：15－17.LANG Xuqing，ZHAO Zhiyong，GONG Hong，et al.Accidents statistical analysis and safety operation measures of the oil－gas pipeline[J].Safety，Health and Environment，2006，6（10）：15－17.

[11]蔡思維.結(jié)構(gòu)力學(xué)的矩陣方法[M].北京：科學(xué)出版社，1975.CAI Siwei.Structural mechanics matrix method[M].Beijing：Science Press，1975.

[12]王堅白.超靜定結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：水利電力出版社，1970.WANG Jianbai.Statically indeterminate structure mechanics[M].Beijing：Water Conservancy Power Press，1970.

[13]趙祖武.塑性理論基礎(chǔ)[M].北京：人民教育出版社，1963.ZHAO Zuwu.Foundation of plasticity theory[M].Beijing：People＇s Education Press，1963.

[14]袁曉鵬，高翔.管道應(yīng)力分析軟件在工程中的應(yīng)用[J].燃料與化工，2005，36（5）：5－6.YUAN Xiaopeng，GAO Xiang.Piping stress analysis software in the application in the engineering[J].Fuels and Chemical，2005，36（5）：5－6.

[15]劉亞江.CAESARII管道應(yīng)力分析理論[J].管道計算與設(shè)備，2003，6（2）：6－9.LIU Yajiang.The theory of CAESAR II piping stress analysis[J].Pipe Calculation and Equipment，2003，6（2）：6－9.