非均勻沉降下埋地天然氣管道應(yīng)力分析及對策

伊?xí)远?新地能源工程技術(shù)有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

非均勻沉降下埋地天然氣管道應(yīng)力研究，是保證天然氣輸送及時、安全的重要舉措。天然氣作為重要的生產(chǎn)能源，在化工原料以及城市建設(shè)、居民生活、燃料等方面均有重要作用。正因?yàn)樘烊粴獾纳鐣б妗⒔?jīng)濟(jì)效益等明顯，所以始終是國家能源管理關(guān)注的重點(diǎn)對象。天然氣的運(yùn)輸以管道形式為主，管道運(yùn)輸體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性與合理性?？墒翘烊粴獗旧韺儆谝兹家妆镔|(zhì)，若生產(chǎn)或者運(yùn)輸期間管理不當(dāng)，會出現(xiàn)燃燒、爆炸等嚴(yán)重情況，同時還會污染環(huán)境，威脅人員生命安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失?；诖?，加大對非均勻沉降下埋地天然氣管道應(yīng)力分析力度，更好地適應(yīng)當(dāng)前輸氣管道距離長、運(yùn)輸量大以及壓力高等趨勢。

1 天然氣管道應(yīng)力分析意義

天然氣作為重要應(yīng)用能源之一，其運(yùn)輸?shù)闹饕绞奖闶枪艿垒斔停瓤梢员ＷC輸送及時，有能夠做到輸送安全。天然氣在使用中雖然為工業(yè)生產(chǎn)、日常生活提供了方便，但是其自身具有易燃易爆的特點(diǎn)，若出現(xiàn)天然氣事故，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果[1]。2019 年3 月20 日中石油泰青威天然氣管道發(fā)生泄露爆炸著火，事故雖沒有造成人員死亡，但是經(jīng)濟(jì)損失達(dá)905.1643 元。2020 年4 月30 日，內(nèi)蒙古鄂爾多斯一企業(yè)發(fā)生燃?xì)夤艿佬孤┲鹗录斐? 人死亡，1 人受傷。

對于天然氣管道泄漏、著火以及爆炸事件頻繁出現(xiàn)的情況，必須提高對天然氣運(yùn)輸管道安全方面的重視。及時對管道應(yīng)力加以分析，綜合非均勻沉降下埋地天然氣管道應(yīng)力影響因素，總結(jié)其中的變化規(guī)律，尤其是對溫度、壓力變化、不均勻沉降組合方面更需要加大研究力度。進(jìn)一步完善天然氣管道不均勻沉降改善理論依據(jù)，并且提高天然氣管道的安全性。

2 非均勻沉降下埋地天然氣管道應(yīng)力分析研究方向與方法

非均勻沉降下埋地天然氣管道應(yīng)力研究中，針對某天然氣分輸站為研究對象，該分輸站所建地基為軟土地基，在管道施工期間，施工標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，因此需要進(jìn)一步完善天然氣管道施工加護(hù)，首先對現(xiàn)場展開全方面應(yīng)力測試，并且還要進(jìn)行沉降測試。其次是進(jìn)行理論分析，應(yīng)用分析軟件及時展開應(yīng)力分析[3]。再次是綜合分輸站閥室管道布置要求進(jìn)一步完善管道體系，總結(jié)影響應(yīng)力水平的因素，具體涉及到管壓、不均勻沉降組合以及溫度等，除此之外還要分析豎向位移所有到的影響。最后根據(jù)實(shí)際分析情況，及時計算分析結(jié)果，并制定針對性的措施。具體研究方法如下：

2.1 分析力學(xué)理論

力學(xué)理論分析是研究天然氣管道不均勻沉降的必要內(nèi)容，以不均勻沉降為前提，創(chuàng)建管道力學(xué)模型，計算管道受力，并得到天然氣管道沉降量差量，隨后以計算原理為基礎(chǔ)，總結(jié)計算要點(diǎn)。

2.2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試

通過對非均勻沉降下埋地天然氣管道現(xiàn)場的反復(fù)勘察以及論證，提前標(biāo)注好關(guān)鍵點(diǎn)，并安置應(yīng)變測量傳感器，對管道關(guān)鍵位置進(jìn)行實(shí)時跟蹤調(diào)查，以月為周期，最長跟蹤時間為6 個月。統(tǒng)計分析現(xiàn)場采集到的非均勻沉降管道數(shù)據(jù)，及時掌握管道當(dāng)前的狀態(tài)以及應(yīng)力水平變化。在此基礎(chǔ)上開始沉降測試，以測試數(shù)據(jù)對應(yīng)力水平進(jìn)行綜合分析[5]。

2.3 應(yīng)力軟件分析

應(yīng)力分析中，通過應(yīng)力分析軟件對天然氣管道建模分析，以此來提高非均勻沉降下埋地天然氣管道應(yīng)力分析水平。

2.4 應(yīng)力綜合分析

應(yīng)力綜合分析中，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對非均勻沉降下埋地天然氣管道應(yīng)力情況客觀研究，及時制定更全面、具體的改進(jìn)措施，以此保證天然氣管道的安全[6]。

3 非均勻沉降下埋地天然氣管道應(yīng)力分析

應(yīng)用應(yīng)力分析軟件CAESAR Ⅱ，對天然氣管道體系進(jìn)行精準(zhǔn)分析。具體工作內(nèi)容包含建立模型、分析計算、和計算結(jié)果校核三方面。

3.1 建立天然氣管系模型

非均勻沉降下地埋天然氣管系建模，需要管系設(shè)備、建模軟件、相關(guān)信息的支持，在軟件操作下完成管系建模。軟件分析中，提前選擇好節(jié)點(diǎn)、編號，及時輸入結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，隨后錄入相關(guān)數(shù)據(jù)[7]。圖1 為天然氣管系應(yīng)力分析模型圖。

圖1 天然氣管系模型

3.2 應(yīng)力分析計算

應(yīng)力分析計算執(zhí)行中，需首先進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查；然后對工況組合進(jìn)行計算。

數(shù)據(jù)檢查中，若遇到致命性錯誤，則需要對數(shù)據(jù)及時修改。若遇到警告性錯誤，并不會對程序運(yùn)行造成影響，但是也需要謹(jǐn)慎處理，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

工況組合計算中，操作工況、一次應(yīng)力計算工況、二次應(yīng)力計算工況分別為(1)L1=W+T+P+F；(2)L2=W+P+F；(3)L3=L1-L2。通過L1得到天然氣操作應(yīng)力，通過L2得到一次應(yīng)力值，通過L3得到二次應(yīng)力值。計算中，自重載荷為W、溫度工況為T、壓力工況為P、集中載荷為F。

按照以上工況組合對管系進(jìn)行分析。

3.3 計算結(jié)果校核

計算結(jié)果校核的目的在于校核管道應(yīng)力。保證一次應(yīng)力、二次應(yīng)力都不能超出規(guī)范應(yīng)力值范圍。

3.3.1 一次應(yīng)力校核

一次應(yīng)力校核中涉及到重力、外加荷載以及壓力等一系列荷載，一次應(yīng)力校核幫助天然氣管道有效維持與外加載荷之間的平衡關(guān)系。具體校核公式如下：

式中：涉及到天然氣管道元件一次應(yīng)力Iσ (MPa)；應(yīng)力校核中設(shè)計溫度條件下管道元件最小屈服強(qiáng)度 Lσ (MPa)；持續(xù)一次載荷下的軸向力、平面內(nèi)、平面外彎矩，分別為 FAX、Mi、M0(N、N·mm、N·mm)；管道壓力、管道外徑、管道壁厚，分別為P、d0、t(MPa、mm、mm)；抗彎截面模量Z(mm3)。

3.3.2 二次應(yīng)力校核

二次應(yīng)力校核中的應(yīng)力以管道變形情況下，受到約束所形成的荷載，這種荷載本身具有自限性特點(diǎn)，若天然氣管道局部位置在外力影響下而出現(xiàn)屈服或者變形等情況，應(yīng)力會出現(xiàn)減小變化。二次應(yīng)力若超出許用值，代表天然氣管道存在疲勞破壞。這種疲勞破壞主要因?yàn)闊崦浝淇s的原因造成。二次校核中需要注意溫度變化，同時還要觀察熱膨脹應(yīng)力，具體公式如下：

式中：管道元件系統(tǒng)中二次應(yīng)力為IIσ (MPa)；二次熱脹情況下平面內(nèi)、外彎矩分別為Mi、M0(N·mm、N·mm)；熱脹條件下管道元件扭轉(zhuǎn)力矩為MT(N·mm)；除此之外還包括平面內(nèi)、外管道應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，分別為ii 、0i 。

4 結(jié)語

綜上所述，非均勻沉降下埋地天然氣管道應(yīng)力分析中，利用CAESAR Ⅱ軟件，綜合地勘資料和管道布置，及時創(chuàng)建天然氣管系模型，并對不同工況進(jìn)行分析計算，經(jīng)過校對處理后，可以及時發(fā)現(xiàn)管系中潛在的應(yīng)力問題，提前制定針對性解決方案，從而實(shí)現(xiàn)提高天然氣管道管理、運(yùn)行安全的目的。