輸氣管道應力影響因素分析

沙曉東 陳曉輝 黃 坤 盧思源 盧泓方

1.中國石化北京天然氣分公司，北京 100029；

2.中國石油昆侖燃氣西南分公司，四川 成都 610023；

3.西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500

0 前言

天然氣廣泛采用管道輸送。 應根據(jù)輸氣量的需求選擇不同管徑的管道。 研究表明，不同管徑的管道承受載荷的能力不同，由壓力、溫度等因素引起的應力值改變量也不相同。 使用應力分析軟件CAESARⅡ對不同管徑的管道進行應力分析， 通過改變溫度和壓力，得出不同管徑管道應力的主要影響因素，為管道的設計和施工提供安全依據(jù)［1］。

1 輸氣管道應力分析

1.1 管道受力情況

管道承受的基本應力包括環(huán)向應力、 軸向應力、剪應力和徑向應力，見圖1。 環(huán)向應力由內壓引起，方向垂直于軸向，平行于管壁圓周的切線。 軸向應力是平行于管軸的正應力，包括由作用于管道的軸向力引起的管子軸向正應力、由內壓引起的軸向應力以及彎曲引起的軸向應力。 剪應力是作用在與材料晶體結構平面相平行的方向，并且可能使晶體相毗鄰的平面相互產生滑動趨勢的多種載荷。 徑向應力由內壓引起，方向平行于管子半徑［2］。

圖1 管道應力示意圖

1.2 校核標準

根據(jù)應力基本特征， 將應力劃分為一次應力、二次應力和操作應力：一次應力是由外載荷作用在管道內部產生的正應力或剪應力，無自限性，主要引起塑性破壞；二次應力是管道的變形受約束產生的正應力或剪應力，具有自限性和局部性，主要引起疲勞破壞；操作應力是由于載荷、結構形狀的局部突變引起局部應力集中的最高應力值，它是脆性斷裂和疲勞破壞的原因。

為了保證管件的強度安全，危險點處最大工作應力不允許達到（或接近）材料的極限應力。 因此，在設計管件強度時，不能以操作應力是否到達極限應力值來判斷管件是否安全， 而應在管件極限應力的范圍內，規(guī)定一個許用應力［σ］作為衡量管件是否滿足強度要求的依據(jù)。 管道由于熱脹冷縮、曲率發(fā)生突變、端點附加位移或受到約束，會產生相應的軸力、剪力、彎矩和扭矩，應力計算后需進行一次應力、二次應力和操作應力的校核。 管道一次應力值不得超過設計溫度下管材的許用應力值；管道二次應力值不得超過許用應力范圍； 操作應力即σL與σE之和σOPE應滿足σL+σE≤σs［3］。

校核用計算公式：

式中： ［σ］為管材的許用應力，MPa；F 為不同地區(qū)強度設計系數(shù)；φ 為焊縫系數(shù)；σL為由壓力引起的縱向應力與重力、風荷載等外載在管道中產生的縱向彎曲應力之和，MPa；σE為二次應力，MPa；σa為許用應力范圍；σc為管材在20 ℃時的許用應力，MPa；σa為管道材料標準中規(guī)定的最小屈服強度，MPa；σb為載荷變化引起的彎曲應力范圍； σOPE為操作應力，MPa； f為預期壽命內，考慮循環(huán)總次數(shù)影響的許用應力范圍減少系數(shù)。

CAESAR Ⅱ軟件的校核方法是依據(jù)美國ASME B31.8 Gas Transportation and Distribution Piping Systems（氣體輸送和分配管道系統(tǒng)）， 其對管道應力的分類、校核及執(zhí)行標準都與國內管道設計規(guī)范要求相類似，不同的是管道校核許用應力采用的是管材許用應力值的90%［4］。

2 管道模型的建立

使用管道應力分析軟件CAESAR Ⅱ對管道進行應力分析，模型的建立包括管系輸入、覆土模型的建立及定義組合工況［5-6］。

管系輸入是進行靜力分析的基礎，包括輸入管道參數(shù)、空間走向、外界條件、管材參數(shù)、約束條件及管內介質參數(shù)。

覆土模型的建立包括輸入土壤密度、 摩擦系數(shù)、壓實系數(shù)、土壤埋入深度、入土點與出土點的選擇及定義各管段的土壤模型等。

研究溫度、 壓力對不同管徑管道應力的影響，忽略風載、地震等因素，只考慮自重、溫度和壓力，故管道的操作應力工況組合為：

式中：W 為自重應力載荷，MPa；T 為溫度應力載荷，MPa；P 為壓應力載荷，MPa。

操作工況是指載荷、結構形狀的局部突變而引起的局部應力集中的最高應力值。

3 實驗方法

為了探究溫度、壓力對不同管徑管道應力的影響情況，選取一系列管徑的管道，通過改變管道運行的溫度和壓力，對比運行條件改變前后的應力比率變化大小，得出溫度、壓力對不同管徑管道的變化規(guī)律。

設計一段直管段，管道總長度約1 000 m，研究模型的起點和終點分別設置固定支墩1、2， 用以截斷研究對象以外管道對模型的影響。 根據(jù)英國Cambridge M.G 工程的資料，采用X80 鋼Φ1 219×14.3 mm 的管道，根據(jù)等強度原則，選取一系列管徑的管道，參數(shù)見表1［7-9］。 土壤參數(shù)見表2，建立的管道走向示意圖見圖2。 由于輸氣管道輸送溫度變化范圍較大，故實驗分為兩組， 第一組實驗基準溫度為20 ℃常溫，管道運行狀態(tài)1 的工作條件為20 ℃、10 MPa，狀態(tài)2相對狀態(tài)1 壓力不變，溫度上升至30 ℃，狀態(tài)3 相對狀態(tài)1 溫度不變，壓力上升至12 MPa；第二組實驗基準溫度為較高溫度50 ℃，管道運行狀態(tài)4 的工作條件為50 ℃、10 MPa， 狀態(tài)5 相對狀態(tài)4 壓力不變，溫度上升至60 ℃，狀態(tài)6 相對狀態(tài)4 溫度不變，壓力上升至12 MPa，見表3。 地區(qū)等級為1 級，設計系數(shù)F 為0.72。

表1 各管徑管道參數(shù)

4 分析結果

對常溫（第一組）和高溫（第二組）工作狀態(tài)下幾種管徑的管道進行應力分析見圖3，將分析結果匯總，見表4～5， 并將第一組實驗狀態(tài)1～3 下管道平均應力比率的改變值繪制折線圖進行線性分析，見圖4～5，第二組實驗狀態(tài)4～6 下管道平均應力比率的改變值繪制折線圖進行線性分析，見圖6～7。

表2 土壤參數(shù)

表3 六種管道運行狀態(tài)

圖2 管道走向示意圖

圖3 管道應力分析示意圖

表4 運行狀態(tài)下管道的平均應力比率對比（第一組）

表5 運行狀態(tài)下管道的平均應力比率對比（第二組）

圖4 常溫下由溫度升高引起的各管徑管道平均應力比率變化情況

圖5 常溫下由壓力增大引起的各管徑管道平均應力比率變化情況

圖6 高溫下由溫度升高引起的各管徑管道平均應力比率變化情況

圖7 高溫下由壓力增大引起的各管徑管道平均應力比率變化情況

通過對常溫和高溫下各管徑管道的應力分析，得出隨著溫度或壓力的升高，管道平均應力比率均有不同程度的提高［10-11］。 隨著管徑的增加，溫度對管道應力的影響逐漸增大，而壓力對管道應力的影響逐漸減小。

5 結論

使用應力分析軟件CAESAR Ⅱ對不同管徑管道進行應力分析，通過改變管道運行的操作條件（溫度、壓力），對比分析結果，得出輸氣管道隨溫度或壓力的升高，管道應力有所增大，且隨著管徑的增加，管道應力受溫度的影響逐漸增大， 受壓力的影響逐漸減小。在管道工程設計中， 確定管道的壁厚和適用條件，需考慮溫度和壓力對不同管徑管道的影響，特別是對晝夜溫差、壓差較大的地區(qū)，需根據(jù)具體情況采取相應的措施，以保障輸氣管道設計的合理性及其運行安全。

［1］GB 50251-2003，輸氣管道工程設計規(guī)范［S］.

［2］ 唐永進. 壓力管道應力分析（第1 版）［M］. 北京：中國石化出版社，2003.11-24.

［3］ 中國石油天然氣總公司. 石油地面工程設計手冊天然氣長輸管道工程設計［M］. 東營： 石油大學出版社，1995.153-157.

［4］ ASME B31.8-2010，Gas Transmission and Distribution Piping Systems［S］.

［5］ 黃 坤，吳世娟，盧泓方，等. 沿坡敷設輸氣管道應力分析［J］. 天然氣與石油，2012，30（4）：1-4.

［6］ 吳曉南，鮮 燕，劉源海，等. 清管過程中隧道內輸氣管道內應力分析［J］. 天然氣與石油，2012，30（2）：1-3.

［7］GB 50316-2000，工業(yè)金屬管道設計規(guī)范［S］.

［8］ 王茂堂，何 瑩，王 麗，等. 西氣東輸二線X80 級管線鋼的開發(fā)和應用［J］. 電焊機，2009，39（5）：6-14.

［9］GB/T 9711.1-1997， 石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術條件第1 部分：A 級鋼管［S］.

［10］ 王軍平.CAESAR Ⅱ軟件在油田工藝設計中的應用［J］. 石油規(guī)劃設計，2002，13（2）：26.

［11］ 方 立. 用CAESAR Ⅱ軟件進行管道應力計算的幾個問題探討［J］. 化工設備與管道，2004，41（6）：40-43.