長距離小口徑隧道內(nèi)天然氣管道應(yīng)力分析研究

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計研究有限公司 魯國文

0 引言

崇明島—長興島—五號溝 LNG站天然氣管道工程的實施，是進(jìn)一步完善和優(yōu)化上海市天然氣主干管網(wǎng)的需要，是崇明島、長興島和浦東經(jīng)濟(jì)和市場發(fā)展的需求，是崇明燃機電廠安全發(fā)展用氣的保證，也是實現(xiàn)長三角區(qū)域天然氣主干管網(wǎng)聯(lián)通的重要通道。同時，該項目已列入《上海市燃?xì)獍l(fā)展“十二五”規(guī)劃》，所以盡快實施該段工程也是燃?xì)狻笆濉币?guī)劃項目的要求。

超長距離小口徑隧道內(nèi)天然氣管道工程的規(guī)模及其基本參數(shù)如下：

天然氣管線：設(shè)計壓力6.0MPa，管徑DN800，長度約24 km，其中過江段約15.3 km，分為A、B兩線，A線為曹路過江井站—長興過江井站，全長約7.0 km；B線為長興北清管站—崇明清管站，全長約8.3 km。

為了順利推進(jìn)本項目的實施，據(jù)現(xiàn)階段的相關(guān)基礎(chǔ)資料，對上海市天然氣主干管網(wǎng)崇明島—浦東管線工程項目中，過江天然氣管道工程進(jìn)行總體設(shè)計施工分析和籌劃，對超長距離的水下隧道施工及管道安裝方案進(jìn)行分析和比較，為工程建設(shè)增強施工工藝可靠性、安全性以及提高建成后管道天然氣運營安全性提供技術(shù)支持。經(jīng)過應(yīng)力計算分析，給出崇明至長興北隧道內(nèi)管道支架形式為隧道內(nèi)滑動支架，豎井兩側(cè)采取錨固墩方式，是合理的布置方案。

1 應(yīng)力計算依據(jù)

1.1 遵循規(guī)范

國內(nèi)輸氣管道工程設(shè)計中管道應(yīng)力分析所遵循的規(guī)范為《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2015)。該規(guī)范規(guī)定了不同地區(qū)條件的輸氣管道強度設(shè)計系數(shù)，從而確定管道的許用應(yīng)力，同時規(guī)定了埋地直管段的軸向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力組合的當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)小于管道最小屈服強度的90%，管道附件的設(shè)計強度不應(yīng)小于相連管道直管段的設(shè)計強度，當(dāng)管道受內(nèi)壓和溫差共同作用時，應(yīng)校核彎頭應(yīng)力并規(guī)定當(dāng)彎頭所受的環(huán)向應(yīng)力小于許用應(yīng)力時，組合應(yīng)力應(yīng)為環(huán)向應(yīng)力和由熱脹彎矩產(chǎn)生的最大環(huán)向應(yīng)力之和，且小于材料的強度極限。

國外輸氣管道的應(yīng)力分析主要遵循《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》(ASME B31.8—2016)。該規(guī)范詳細(xì)定義了約束管道和非約束管道，并按這兩種管道類型規(guī)定了內(nèi)壓、熱脹及其他載荷引起的軸向應(yīng)力的詳細(xì)計算表達(dá)式，且分別列出了約束管道與非約束管道的軸向應(yīng)力之和的計算式與許用值。

長距離小口徑隧道內(nèi)天然氣管道因其長度長，隧道內(nèi)情況復(fù)雜，所以簡單分析不能滿足實際施工及后續(xù)需求。本文考慮采用CAESARII應(yīng)力分析軟件。CAESARII應(yīng)力分析軟件是由美國COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，使用其內(nèi)置的ASME B31.8作為計算標(biāo)準(zhǔn)，可以對天然氣管道進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。

1.2 主要參數(shù)

超長距離小口徑隧道內(nèi)天然氣管道，根據(jù)現(xiàn)階段的相關(guān)基礎(chǔ)資料，對應(yīng)力計算需要的基本條件進(jìn)行整理，基本計算參數(shù)見表1。

表1 天然氣管道計算參數(shù)

2 應(yīng)力計算

本計算考慮到運行溫度T1=30 ℃、T2=35 ℃、T3=5 ℃與管道安裝溫度 T(20 ℃)溫差分別為10 ℃、15 ℃、-15 ℃；設(shè)計壓力6.0 MPa，強度水壓試驗壓力9.0 MPa；同時根據(jù)隧道內(nèi)是否充水分別考慮浮力荷載是否加載等，根據(jù)輸氣規(guī)范應(yīng)力分析要求，需計算不同工況下的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、綜合當(dāng)量應(yīng)力水平。根據(jù)本項目的實際情況，共計算14種不同荷載工況，見表2。

表2 天然氣管道計算荷載工況

3 計算分析及結(jié)果

3.1 計算模型

在滿足各種工況管道一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及綜合當(dāng)量應(yīng)力的前提下，調(diào)整管道支架布置形式及豎井深度，其中隧道內(nèi)管道支架跨距按照10 m考慮(主要由水壓試驗、彎曲應(yīng)力、摩擦力確定)得出計算模型，見圖1、圖2。

圖1 長興北側(cè)工作井側(cè)管道模型

圖2 崇明島側(cè)接收井管道模型

3.2 計算結(jié)果分析

用CAESARII應(yīng)力分析軟件輸入的模型，經(jīng)過上述 14種工況模擬后，進(jìn)行應(yīng)力比云圖及管道應(yīng)力值云圖進(jìn)行比對，結(jié)合《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2015)及《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》(ASME B31.8—2016)兩規(guī)范中對管道許用應(yīng)力的要求，進(jìn)行計算后結(jié)果，見圖3和圖4(以工況1長興北側(cè)為例)。

圖3 工況1長興北側(cè)管道應(yīng)力比

圖4 工況1長興北側(cè)管道應(yīng)力值

3.3 工況1計算結(jié)果

工況1主要研究在安裝溫度20℃，管道運行溫度30℃，設(shè)計壓力6.0 MPa，隧道內(nèi)充水考慮浮力荷載的應(yīng)力情況。

本工況下管道各處綜合當(dāng)量應(yīng)力在許用應(yīng)力的27%～59%，滿足規(guī)范要求。最大當(dāng)量應(yīng)力位于10號節(jié)點，長興北側(cè)工作井的錨固礅處，最大應(yīng)力220.64 MPa，占許用應(yīng)力的59%。

軸向位移DX最大處是1688號節(jié)點，是崇明接收井的下彎管處，最大值為 245mm，該點豎向位移DY為-13mm。長興北側(cè)工作井下部彎管25節(jié)點處的DX軸向位移-238 mm，豎向位移DY為2.4 mm。最大豎向位移DY是18號節(jié)點，是長興北側(cè)工作井的上部彎管處，最大47 mm。

軸向力FX最大受力點是在10號節(jié)點，在出長興北側(cè)工作井的錨固處，最大受力-129 485.70 N，該點FY為102405.50 N，彎矩MZ為856132.10N·m。崇明側(cè)錨固礅受力情況為88817.59 N，豎向力FY為90710.74 N，彎矩為MZ為-541 080.20 N·m。豎向力FY最大點在1684號節(jié)點，是靠近崇明接收井的下彎管處最近的一個活動支架，最大受力FY為-206 950.60 N，F(xiàn)X為62 085.19 N。該工況條件下隧道內(nèi)其它滑動支架受力FX為4 588.10 N，F(xiàn)Y為15 293.65 N。

3.4 計算結(jié)果匯總

針對 14種工況進(jìn)行上述應(yīng)力分析后，將計算結(jié)果進(jìn)行匯總。

一次應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工況 4，應(yīng)力比為73.84%，最大應(yīng)力為 274.92MPa，許用應(yīng)力372.32MPa；二次應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工況11，最大應(yīng)力為81.91 MPa；最大軸向位移值出現(xiàn)在工況1，軸向位移為245.67 mm；最大軸向推力值出現(xiàn)在工況1，F(xiàn)x=-129 486 N，F(xiàn)y=102 406 N，F(xiàn)z=0 N；計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，得出管線位移以及支架受力數(shù)據(jù)均為管道安裝提供了有力的技術(shù)支持。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

采用CAESARII軟件對長距離小口徑隧道內(nèi)天然氣管道應(yīng)力進(jìn)行分析研究后可得出以下結(jié)論：

(1)確定了崇明至長興北側(cè)隧道內(nèi)管道支架形式，隧道內(nèi)為滑動支架，豎井兩側(cè)采取錨固墩。

(2)確定了工作井及接受井的內(nèi)必需的立管空間深度要求。

(3)確定了安裝工況及運行工況下管道各節(jié)點的應(yīng)力值(一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、當(dāng)量應(yīng)力)，基本在80%的許用應(yīng)力水平范圍內(nèi)，較合理。

(4)計算了管道在不同溫差下，固定支架承受的推力及各滑動支架的受力，以指導(dǎo)錨固礅及支架施工圖設(shè)計及訂貨，見圖5。

(5)計算了管道不同約束節(jié)點處的位移值。

圖5 隧道內(nèi)天然氣管道設(shè)計斷面

4.2 建議

(1)兩側(cè)井的設(shè)計要綜合考慮應(yīng)力水平及當(dāng)?shù)氐匦?、地質(zhì)結(jié)構(gòu)，作為井深確定的設(shè)計依據(jù)。

(2)滑動支架在下階段詳細(xì)非標(biāo)設(shè)計及訂貨過程中，要根據(jù)應(yīng)力分析計算的載荷確定。

(3)錨固墩及錨固法蘭的安裝應(yīng)考慮專業(yè)隊伍施工，保持防腐層的完整及可靠錨固。

(4)建議在綜合應(yīng)力較大處，設(shè)置應(yīng)力監(jiān)控設(shè)施。

(5)集中載荷作為下一步抗浮塊重量選取的依據(jù)，下一步結(jié)合管道安裝空間，確定抗浮塊的具體結(jié)構(gòu)形式。