埋地天然氣管道凍脹變形的數(shù)值分析與處理

蘇文獻(xiàn)++鄔曉敏

摘要： 隨著我國(guó)對(duì)天然氣需求量的逐年增長(zhǎng)，輸氣量大幅提高，管線壓力不斷提升，導(dǎo)致部分天然氣門站或高壓調(diào)壓站的埋地管道出現(xiàn)了較嚴(yán)重的凍脹變形，造成了安全隱患.針對(duì)該現(xiàn)象，探究其產(chǎn)生原因.利用有限元軟件對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，分析埋地燃?xì)夤艿朗軆雒浻绊懙膽?yīng)力和位移分布情況，并提出一些相關(guān)技術(shù)性預(yù)防措施，如預(yù)熱、置換土、絕熱保溫、冷能回收等措施，為已建和新建的天然氣管道提供借鑒.

關(guān)鍵詞：

埋地管線； 凍脹變形； 應(yīng)力分析

中圖分類號(hào)： TU 996文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Numerical Analysis and Treatment of the Frost Heave

Deformation for Buried Gas Pipelines

SU Wenxian， WU Xiaomin

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai

for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

With the increasing demand of natural gas in our country， both the capacity and pressure of pipelines increased significantly， which caused the throttling effect after pressure regulation in the gas gate station.A thick layer of frozen soil formed around the buried pipelines. When the frozen soil melted， the pipelines failed to reset completely. The pipeline uplift phenomenon became more obvious，resulting in the potential safety trouble. The actual engineering case was analyzed to find out the reasons.Numerical simulation study on the process by finite element software was performed to analyze the stress and displacement distribution of a buried gas pipeline caused by frost heave.Some technical treatment measures were put forward to provide references for the design of new gas station.

Keywords：

buried pipeline； frost heave deformation； stress analysis

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以煤為主、石油為輔的能源消費(fèi)模式對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，制約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.因此，作為清潔、優(yōu)質(zhì)、高效的能源，天然氣在能源結(jié)構(gòu)中地位不斷提升，其產(chǎn)業(yè)在全球也進(jìn)入了快速發(fā)展期，我國(guó)燃?xì)夤艿酪仓饾u從點(diǎn)狀、線狀向網(wǎng)狀演變[1].但因我國(guó)天然氣資源分布不均，西氣東輸工程于2003年10月正式投產(chǎn)進(jìn)行資源的跨區(qū)域調(diào)配.近年來(lái)，我國(guó)天然氣消耗總量日益增長(zhǎng)，輸氣量也隨之提高，管道全線壓力不斷提升，由此也產(chǎn)生了一系列工程問(wèn)題.上海天然氣主干網(wǎng)工程某高壓站已安全運(yùn)行了幾年，主要負(fù)責(zé)將上游高壓輸氣管道送來(lái)的天然氣進(jìn)行過(guò)濾、計(jì)量、調(diào)壓（降壓）、加臭、輸配至城市天然氣管網(wǎng)中.但在2012年11月至2013年3月冬季期間該站部分管道發(fā)生了較嚴(yán)重的變形，埋管上方地基出現(xiàn)裂紋，管道脫離支座，產(chǎn)生了明顯的上浮跡象，埋下了安全隱患.故該站在2013年3月底被迫停止運(yùn)行.本文將針對(duì)該現(xiàn)象并結(jié)合實(shí)地考察，探究其原因，提出相關(guān)技術(shù)處理措施.

3數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1溫度場(chǎng)分析

因忽略了凍結(jié)過(guò)程土壤中的水分遷移，且凍結(jié)過(guò)程長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，故可將其近似看作穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程.通過(guò)三維熱實(shí)體單元Solid90對(duì)管土模型進(jìn)行熱分析模擬計(jì)算，最終溫度場(chǎng)分布結(jié)果如圖2所示，并對(duì)埋地管道內(nèi)表面至土體底部的溫度隨深度進(jìn)行路徑化處理，結(jié)果如圖3所示.

由圖2、3可知，由于埋地深度在2 m左右，所以地表溫度變化對(duì)凍脹的影響很小.管道內(nèi)氣體溫度維持在-7℃，通過(guò)管壁向周圍土壤傳遞熱量，導(dǎo)致埋地管道周圍一定范圍內(nèi)的土壤受低溫影響，形成了局部低溫區(qū)域.隨著土

壤深度的增加，管內(nèi)及地表溫度對(duì)土壤溫度的影響逐漸減小.

3.2熱力耦合分析

熱分析求解結(jié)束后，將熱與結(jié)構(gòu)單元相互轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)行靜力分析.考慮到管道與土壤之間的相互摩擦，埋地管道外表面剛性目標(biāo)面采用Targe170目標(biāo)單元，土體為柔性接觸面，采用Conta173接觸單元，從而進(jìn)行非線性接觸分析.管道各方向及總位移云圖如圖4所示.對(duì)埋地管道直線段進(jìn)行路徑化處理，獲得位移隨距離的變化，結(jié)果如圖5所示.圖6、7分別為考慮和不考慮凍脹影響時(shí)管道的應(yīng)力分布云圖.

由圖4、5可知，由于埋地彎管與直管處的凍脹差異性，埋地管道的橫向變形主要集中于彎管處，而埋地管道的直管處主要為軸向變形和因凍脹導(dǎo)致向上抬起變形，豎直方向最大位移約為35 mm，而埋地管道的總位移隨著管道距離的增大呈下降趨勢(shì).在管內(nèi)壓力和凍脹的共同作用下，由于埋地管道彎管處周圍土壤的抗拔阻力無(wú)法完全固定，導(dǎo)致直管處的位移會(huì)向彎管處富集，使得埋地管道彎管處產(chǎn)生較嚴(yán)重的橫向位移與彎曲變形，發(fā)生顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易使彎管處發(fā)生破壞，這對(duì)管道損害極大，因予以預(yù)防.

3.3應(yīng)力評(píng)定

對(duì)上述管道最危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定.應(yīng)力

評(píng)定路徑上的薄膜應(yīng)力為一次局部薄膜應(yīng)力，其強(qiáng)度用1.5Sm進(jìn)行限制，Sm為材料的許用應(yīng)力強(qiáng)度.同時(shí)，路徑上還存在彎

曲應(yīng)力，屬于二次應(yīng)力，它與一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度之和用3Sm限制.這兩個(gè)應(yīng)力限制條件須同時(shí)滿足，才能確保管道不發(fā)生失效.

管道最大應(yīng)力點(diǎn)的評(píng)定結(jié)果如表3所示.由表中可知，管道最大應(yīng)力點(diǎn)集中在埋地道管彎管處，一次應(yīng)力以局部薄膜應(yīng)力為主，主要由平衡內(nèi)壓所致，因管內(nèi)壓力不大，管壁較厚，故不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞.二次應(yīng)力為自限性應(yīng)力，主要

由協(xié)調(diào)凍脹變形所致，凍脹效果越顯著，二次應(yīng)力就越大.本文中，當(dāng)燃?xì)夤艿朗軆?nèi)壓和凍脹影響發(fā)生一定量的變形后，管道仍處于安全狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度問(wèn)題.但當(dāng)凍土消融后，管道可能無(wú)法完全復(fù)位，多次往復(fù)，管道水平位置升高，必將對(duì)該站的安全、平穩(wěn)運(yùn)行埋下隱患.

4技術(shù)處理措施

4.1預(yù)加熱法

預(yù)熱法是目前國(guó)內(nèi)外管道工程中解決凍脹最行之有效的方法，可以從根本上解決埋地管道凍脹問(wèn)題.當(dāng)天然氣進(jìn)站溫度低于設(shè)定的警戒溫度時(shí)，

則需對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱后再流經(jīng)節(jié)流閥.預(yù)熱裝置可采用管殼式熱交換器，熱源可采用燃燒天然氣的熱水鍋爐或蒸汽鍋爐.

4.2置換土法

將管道凍脹影響范圍內(nèi)的土壤置換成排水性較好、凍脹性小的卵石或沙土，并在溝槽內(nèi)增設(shè)防水層，防止周圍的水滲入其中.此外，在槽底部設(shè)有集水溝，將積水引入豎井，再使用抽水設(shè)備將水及時(shí)排出.對(duì)一些壓降大的管段，亦可采用涵洞式，將管道與周圍土層隔絕，從而避免土壤受管內(nèi)低溫影響產(chǎn)生凍脹.但是目前該方法國(guó)內(nèi)外尚無(wú)明確規(guī)范可循.

4.3絕熱保溫措施法

對(duì)節(jié)流后的埋地低溫管道采取絕熱保溫措施.管道防腐層檢漏合格后，可采用聚氨酯泡沫對(duì)管道和管匯進(jìn)行絕熱保溫，并在保溫層外做相應(yīng)的防水防腐措施.

4.4冷能回收法

使用透平膨脹機(jī)代替節(jié)流閥，從而對(duì)高壓天然氣進(jìn)行降壓，將中壓低溫天然氣與冷媒乙二醇進(jìn)行熱交換，用以回收富余的天然氣降壓后產(chǎn)生的冷能，存儲(chǔ)在蓄冷裝置中，供應(yīng)給站內(nèi)辦公樓制冷系統(tǒng)，最后將中壓常溫的天然氣輸配至城市中壓天然氣管網(wǎng).

4.5其他措施

采取間歇輸氣方式或電伴熱方法；采用符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，材料強(qiáng)度、韌性好的鋼管；站內(nèi)管道按照規(guī)定設(shè)置分段閥門；針對(duì)凍脹制定運(yùn)行應(yīng)急預(yù)案，通過(guò)嚴(yán)密觀察、準(zhǔn)確測(cè)量將數(shù)據(jù)記錄在案，密切監(jiān)測(cè)管道受凍脹的影響程度.

5結(jié)論

對(duì)公稱直徑較大的天然氣埋地管道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮管材性能和周圍土壤物性，對(duì)易發(fā)生飽和的土壤類型應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注.對(duì)于經(jīng)降壓分輸?shù)穆竦毓艿?，在?nèi)壓和凍脹作用下，即使土壤發(fā)生了一定程度的凍脹導(dǎo)致管道發(fā)生較大的變形，管道還是安全的.但仍應(yīng)采取相關(guān)針對(duì)性的技術(shù)預(yù)防措施，避免埋地管道受凍脹影響所產(chǎn)生的積累性變形，造成安全隱患和破壞.

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