土壤凍脹影響下調(diào)壓站管道形變安全分析*

白永強(qiáng) 汪彤 呂良海

（北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所城市易燃易爆有毒有害危險源控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 100054）

引言

凍脹是影響天然氣輸送管道安全的重大危險因素。天然氣管道在輸氣過程中，氣體經(jīng)過調(diào)壓裝置后，就會在節(jié)流處快速膨脹，產(chǎn)生壓力驟降，而氣體在極短時間內(nèi)來不及與外界發(fā)生熱交換，因此氣體溫度急劇降低。該現(xiàn)象也被稱為焦耳—湯姆遜效應(yīng)［1］，亦稱“節(jié)流效應(yīng)”，是天然氣管道調(diào)壓運(yùn)行中常見現(xiàn)象。有研究表明，輸氣管道壓力每降低1MPa，溫度大約降低4℃～5℃，因此對于高高壓調(diào)壓、高中壓調(diào)壓分輸站內(nèi)，可能會造成調(diào)壓站分輸管線長期在0℃以下低溫運(yùn)行［2］，導(dǎo)致埋地管道周邊形成凍土層，凍土層內(nèi)地下水結(jié)冰，發(fā)生膨脹，巨大的膨脹力將埋地匯管頂起，致使安裝好的設(shè)備和管道被整體抬升，產(chǎn)生垂直方向的位移，相當(dāng)于對調(diào)壓器前后架空管道施加了附加荷載。在嚴(yán)重的情況下，管線附近地面隆起，調(diào)壓撬（閥）后側(cè)的出站管線處閥體與基礎(chǔ)分離，部分管段在應(yīng)力作用下發(fā)生變形，甚至導(dǎo)致焊口、法蘭等連接處泄漏，給安全運(yùn)行帶來很大隱患。

長期以來，由于北方寒冷氣候影響，學(xué)界對于土壤凍脹對埋地管線影響一直十分重視，提出了一系列監(jiān)測與分析方法［3－6］。近年來，隨著城市天然氣普及，輸氣管線的輸送量大大增加，導(dǎo)致天然氣調(diào)壓站內(nèi)管道系統(tǒng)受凍脹影響越來越嚴(yán)重，部分學(xué)者開始就分輸場站內(nèi)土壤凍脹對管道的影響進(jìn)行分析［7－9］，并提出相應(yīng)的對策措施［10，11］。然而，目前多數(shù)學(xué)者關(guān)注的是土壤凍脹對埋地管道的影響［12－14］，而對于調(diào)壓站內(nèi)分輸架空管段的影響尚未進(jìn)行分析。本文就北京某高高壓調(diào)壓站內(nèi)凍脹土壤將調(diào)壓站內(nèi)輸氣匯管頂起，從而影響的架空管段部分進(jìn)行數(shù)值模擬與監(jiān)測分析，針對該管段給出位移荷載的安全預(yù)警閾值。

1 土壤凍脹影響下調(diào)壓站管道模擬分析

北京某天然氣高高壓調(diào)壓站，其設(shè)計進(jìn)口壓力4.0MPa、設(shè)計流量40萬Nm3／h。其中系統(tǒng)一高壓B出口設(shè)計壓力2.5MPa、設(shè)計流量2萬Nm3／h；系統(tǒng)二次高壓A出口設(shè)計壓力1.6MPa、設(shè)計流量10萬Nm3／h；系統(tǒng)三中壓出口設(shè)計壓力0.4MPa、設(shè)計流量5萬Nm3／h。站內(nèi)管網(wǎng)埋地部分發(fā)生明顯的垂直方向位移，實(shí)地檢查發(fā)現(xiàn)管道整體上行，設(shè)備和管道在外力作用下被抬升后與支架分離（位移量最大時可達(dá)50mm～70mm），呈懸空狀態(tài)，導(dǎo)致其始終處于非常規(guī)外力的作用下運(yùn)行，產(chǎn)生巨大安全隱患，部分管線及設(shè)備連接部位的薄弱處已經(jīng)發(fā)生漏氣情況。

針對該調(diào)壓站內(nèi) DN400架空管段（跨度8m），采用ANSYS建模，在架空管段一端施加變化的位移荷載，管道內(nèi)壓P＝4MPa，將位移荷載從0.01m逐漸加到0.14m，在0.01m～0.14m范圍內(nèi)，觀察管線模型的最大應(yīng)力值的變化，將得出結(jié)果與材料的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度對比，分析管線在達(dá)到屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度時對應(yīng)的位移，作為管線應(yīng)變監(jiān)測預(yù)警閾值。

材料特性：彈性模量為E＝210GPa，剪切模量為τ＝110GPa，泊松比為ν＝0.3，密度為ρ＝7850kg／m3，屈服強(qiáng)度為 σs＝253MPa，極限強(qiáng)度為 σb＝422MPa。

根據(jù)設(shè)計要求，該管段的設(shè)計許用應(yīng)力［14］：

式中：FD為設(shè)計系數(shù)，一般取0.72。

圖1給出了位移荷載為0.03m和0.11m時管段上的等效應(yīng)力云圖。從圖1中可以看出，在土壤凍脹位移荷載作用下，該管段最大應(yīng)力出現(xiàn)在了管段中彎頭的內(nèi)側(cè)。

圖1 凍脹土壤影響下的管段等效應(yīng)力云圖Fig.1 The equivalent stress distribution on the pipeline under frost heaving deformation

圖2給出了在各位移荷載作用下該架空管段的最大應(yīng)力。從圖2中可以看出，在位移荷載0.01m到0.11m之間，該管段最大應(yīng)力基本為線性變化，說明該階段管道處于彈性變形階段。位移荷載加到0.12m、0.13m、0.14m后，最大應(yīng)力表現(xiàn)出非線性變化，說明該管段出現(xiàn)了塑性變形，最大應(yīng)力超過了材料屈服強(qiáng)度，有一定的可能發(fā)生失效。在實(shí)際設(shè)計中，為了保障管道運(yùn)行安全，一般采用許用應(yīng)力［σ］作為管道允許承受的應(yīng)力閾值，由式（1）得到該管段材料的許用應(yīng)力為182.16MPa，對應(yīng)的位移荷載為0.075m，因此實(shí)際監(jiān)測中應(yīng)將位移荷載0.075m作為該管段的安全預(yù)警閾值。

圖2 調(diào)壓站管道在各位移荷載下的最大應(yīng)力Fig.2 Themaximum stress of the pipeline under every displacement load

2 基于應(yīng)變監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析

為進(jìn)一步對該管段在土壤凍脹下應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析，提出安全對策建議，采用應(yīng)變片對該管段彎頭部分進(jìn)行了應(yīng)變監(jiān)測。通常情況下，輸氣管道被視為薄壁管道，沿管道壁厚方向上的應(yīng)力在計算中通常被視為零，因此被測管道表面可視為二向應(yīng)力狀態(tài)。在監(jiān)測中，一般采用由3個應(yīng)變片組成的應(yīng)變花貼在管道外壁上（圖3），測得沿管道軸向、環(huán)向和斜45°的3個方向應(yīng)變后，根據(jù)廣義胡克定律計算管道上被測點(diǎn)的主應(yīng)力［14，15］：

圖3 三向應(yīng)變花Fig.3 Three dimensional strain rosette

式中：ε0°為 0°方向（管道軸向）應(yīng)變；ε45°為 45°方向（與管道軸向夾角為45°方向）應(yīng)變；ε90°為90°方向（管道環(huán)向）應(yīng)變；σ1、σ2、σ3分別為第一、二、三主應(yīng)力。

Von Mises等效應(yīng)力為：

采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核：

根據(jù)模擬計算結(jié)果，監(jiān)測該管段的最大等效應(yīng)力時在彎頭中間位置布置了3個傳感器應(yīng)變花，具體布置如圖4所示。

圖4 傳感器布置Fig.4 Sensor layout

2014年10月至2015年7月，對該管段進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測到的等效應(yīng)力變化如圖5所示。

圖5 監(jiān)測等效應(yīng)力變化曲線Fig.5 The equivalent stress variation curve

監(jiān)測到的最大等效應(yīng)力為164.18MPa，出現(xiàn)在2015年2月份，當(dāng)時管道受土壤凍脹影響產(chǎn)生的位移為0.065m，與模擬計算數(shù)據(jù)曲線（圖2）上位移荷載為0.062m時計算得到的最大應(yīng)力基本一致。此時管段仍處于彈性形變階段，未發(fā)生屈服變形。

3 結(jié)論

天然氣調(diào)壓站內(nèi)調(diào)壓節(jié)流效應(yīng)引起溫度驟降，從而影響管道周圍土壤產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，在冬季該現(xiàn)象明顯，嚴(yán)重影響調(diào)壓站管道運(yùn)行安全。利用數(shù)值模擬分析了北京某天然氣調(diào)壓站匯管以上架空燃?xì)夤芏卧谑芡寥纼雒浳灰朴绊懴碌膽?yīng)力變化情況，通過對該管段的分析給出該管段安全運(yùn)行的最大位移荷載（0.075m），并判斷匯管抬起時該管段最大應(yīng)力出現(xiàn)位置。根據(jù)模擬分析情況，在該管段上布置傳感器，對受土壤凍脹影響匯管抬起時最大應(yīng)力位置附近的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行了監(jiān)測分析，通過模擬分析與監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：受土壤凍脹影響匯管抬起，對架空管段施加一定的位移荷載，在一定范圍內(nèi)該管段仍處于彈性階段，能夠安全運(yùn)行。當(dāng)然，受低溫影響，管道材料性質(zhì)可能會發(fā)生一定的變化，因此要保證安全運(yùn)行，仍需對低溫下材料性能進(jìn)行分析，根據(jù)分析情況綜合判斷運(yùn)行安全。

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