輸油管道特殊段應(yīng)力分析及安全性綜述

郭敬超

摘要：輸油管道是國(guó)家能源的大動(dòng)脈之一，其安全運(yùn)營(yíng)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展有非常重大的影響。近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程和城市化速度的不斷加快，我國(guó)國(guó)內(nèi)管道數(shù)量不斷增加，特別是用于運(yùn)輸原油、天然氣、成品油等介質(zhì)的管道迅速發(fā)展。我國(guó)地形復(fù)雜多樣，使得管道一般要穿越隧道、跨越障礙物等特殊的地方，這些地方的管段施工、檢修和安全狀態(tài)檢測(cè)難度較大，一旦管道發(fā)生失效，將造成人員的傷亡，環(huán)境污染等嚴(yán)重的后果。為了保證管道的安全運(yùn)行，我們必須重點(diǎn)對(duì)這些特殊管段進(jìn)行應(yīng)力分析和安全性研究。

關(guān)鍵詞：輸油管道，跨越管道，隧道內(nèi)管道

管道是能源運(yùn)輸?shù)闹饕绞剑谑凸I(yè)發(fā)展發(fā)揮著重的作用。管道輸送的介質(zhì)有水、水蒸氣、天然氣、石油、乙烯等化工介質(zhì)，在輸送過(guò)程中常伴有高溫高壓。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的提速，管道建設(shè)迎來(lái)了大發(fā)展。用于輸送石油產(chǎn)品和天然氣介質(zhì)的管道數(shù)量需求日益增大[1]。大多數(shù)情況下管道采用埋地敷設(shè)，而且常常經(jīng)過(guò)人口密集區(qū)，有時(shí)甚至?xí)龅?，此時(shí)就大大增加了管道敷設(shè)、檢修和維護(hù)的難度，不僅如此，管道內(nèi)的輸送的介質(zhì)常常具有易燃、易爆或有毒等特性，勢(shì)必增加了燃燒、爆炸或中毒等事故的發(fā)生的概率，所以當(dāng)遇到需穿越隧道、跨越障礙物等情況時(shí)，必須嚴(yán)格遵守相關(guān)施標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保管道安全運(yùn)行[2]。在國(guó)內(nèi)外管道失效事故時(shí)有發(fā)生，其原因除了施工質(zhì)量、設(shè)計(jì)、疲勞、腐蝕問(wèn)題等外，還有就是在管道穿越隧道、跨越河流障礙物等的特殊管段由于應(yīng)力分布不均產(chǎn)生的失效破壞。為了確保管道的安全運(yùn)行和人民財(cái)產(chǎn)安全，就必須準(zhǔn)確的對(duì)管道的特殊管段應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，從而確保管道安全。

1 管道應(yīng)力分析

管道應(yīng)力分析主要是確保管道應(yīng)力在規(guī)定的范圍內(nèi)滿足管道的強(qiáng)度和柔性的要求，對(duì)管道力學(xué)的分析和評(píng)定，有效解決管道受力問(wèn)題，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。管道應(yīng)力分析分分兩步進(jìn)行，首先根據(jù)管道受到應(yīng)力算出位移量、內(nèi)力和應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)，然后根據(jù)安評(píng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比得出的力學(xué)性能是否滿足管道安全需求。因此，為確保管道安全、運(yùn)行平穩(wěn)，就必須對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析。管道應(yīng)力分析有三個(gè)好處：一、依據(jù)管道周邊的地理信息，為設(shè)計(jì)管道提供足夠的強(qiáng)度，降低管道安裝期間的應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)對(duì)管道產(chǎn)生的影響，從而規(guī)避管道發(fā)生塑性變形，確保管道安全運(yùn)行;二、在設(shè)計(jì)管道時(shí)為管道提供足夠的柔性，從而使管系依靠自身足夠的柔性吸收管道在冷熱變換時(shí)產(chǎn)生的形變量，確保管道運(yùn)行平穩(wěn)。三、應(yīng)力分析確保管道設(shè)計(jì)時(shí)更具科學(xué)性，既能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)范，又能滿足工程預(yù)算的要求，做到經(jīng)濟(jì)合理。

對(duì)特殊管段進(jìn)行應(yīng)力分析，這不僅可以為敷設(shè)管道的各個(gè)階段提供理論依據(jù)，并且能根據(jù)管道所處的地理情況彌補(bǔ)管系的特殊管段產(chǎn)生的各種應(yīng)力，從而消除各種應(yīng)力帶來(lái)的隱患，保證管道的平穩(wěn)安全運(yùn)行，提高管輸效率。以此為基礎(chǔ)對(duì)管道進(jìn)行更加全面安全性分析，找出影響管道發(fā)生故障的各種因素，得出管道事故發(fā)生的概率，分析各因素產(chǎn)生的幾率、重要程度對(duì)管道事故概率的影響;通過(guò)對(duì)各因素的分析，提出科學(xué)、合理的預(yù)防措施來(lái)避免事故的發(fā)生，為管道的安全運(yùn)行提供理論支持。

2 研究背景

隨著油氣田開(kāi)采的快速增長(zhǎng)，管道作為油氣運(yùn)輸?shù)闹饕侄问艿皆絹?lái)越多的重視，經(jīng)過(guò)一代又一代的專家、學(xué)者等的不懈努力，油氣儲(chǔ)運(yùn)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。管道應(yīng)力分析作為油氣管道設(shè)計(jì)、施工的重要一環(huán)，為確保安全生產(chǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低施工和維護(hù)成本等方面發(fā)揮著重要作用。除了在石油、天然氣運(yùn)輸方面，在化工、熱力、電力等燃化工業(yè)管道設(shè)計(jì)中也具有舉足輕重的作用。

2.1 國(guó)外研究綜述

北歐以一維模型作為管道的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，在不考慮內(nèi)部壓力的情況下，把補(bǔ)償器和彎頭簡(jiǎn)化為自由端，把溫度變化引起的熱應(yīng)力作為熱管道唯一載荷;在進(jìn)行應(yīng)力分析才把內(nèi)部所受壓力考慮進(jìn)去，然后用彈性力學(xué)理論進(jìn)行分析，分析過(guò)程中不考慮塑性變形。長(zhǎng)輸管線強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：由蘇聯(lián)彼從事全蘇干線管道建設(shè)科學(xué)研究得羅夫等創(chuàng)立的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論?？煽啃韵禂?shù)在1975年引被入了設(shè)計(jì)規(guī)范中，金屬管道的彈塑性強(qiáng)度極限即第一極限狀態(tài)設(shè)計(jì)——在內(nèi)壓力作用下被管道破壞;然后按第二極限狀態(tài)來(lái)校核金屬管道的彈性屈服極限，即管道環(huán)、縱向應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力不能大于兩個(gè)極限應(yīng)力值。以極限狀態(tài)法為基礎(chǔ)蘇聯(lián)長(zhǎng)輸管線設(shè)計(jì)規(guī)范，與美國(guó)和西德的許用應(yīng)力法相比，蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)規(guī)范更為經(jīng)濟(jì)，而美國(guó)和西德則偏保守。到90年代中期，一種新的設(shè)計(jì)管線強(qiáng)度的方法被專家提出，這種方法通過(guò)減薄管壁厚降低作業(yè)量、降低成本和生產(chǎn)費(fèi)用。把非線性運(yùn)算運(yùn)用到研究過(guò)程設(shè)計(jì)方法，使得ASMEB31.4和B31.8規(guī)范被得到認(rèn)可。前蘇聯(lián)的管道輸送規(guī)范中規(guī)定：在進(jìn)行管線應(yīng)力分析時(shí)，必須考慮管線鋼的非線性特性。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，長(zhǎng)輸管線強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論、準(zhǔn)則還在不斷地發(fā)展和完善中。

2.2國(guó)內(nèi)研究綜述

國(guó)內(nèi)學(xué)者專家在管道應(yīng)力分析方面也取得了一些研究成果，如西南石油學(xué)院的鄧道明對(duì)無(wú)固定墩兩端埋地跨越管道的自振頻率提出了新的計(jì)算方法，在其取得的成果表明：自振頻率設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)考慮當(dāng)量軸向力和埋地相鄰管道之間的相互作用，因而推到出了無(wú)固定墩埋地管道固有頻率的特征方程。在原有的計(jì)算公式上，得出新的計(jì)算公式。從研究結(jié)果可以看出，對(duì)頻率起主要作用是內(nèi)壓、溫差產(chǎn)生的軸向當(dāng)量力，如果錨固墩被取消就極大降低管道的固有頻率。根據(jù)研究結(jié)果得到的計(jì)算值，系統(tǒng)地探討了頻率公式的可用性，從結(jié)果得出：當(dāng)量軸向力、拉力為零時(shí)，計(jì)算結(jié)果有很高的精度;當(dāng)壓力為當(dāng)量軸向力時(shí)，公式的誤差比較大，此時(shí)計(jì)算固有頻率時(shí)應(yīng)按特征方程來(lái)計(jì)算。

又如西南石油學(xué)院的鄧道明在研究有/無(wú)固定墩跨越管道的內(nèi)力和變形時(shí)，在考慮幾何非線性的基礎(chǔ)上，得出內(nèi)力和撓度在有固定墩跨越管道的計(jì)算公式，經(jīng)簡(jiǎn)化得出具有應(yīng)用價(jià)值的計(jì)算公式。得出了有/無(wú)固定墩跨越管道的內(nèi)力和撓度的比較結(jié)論：添加固定墩，管道的當(dāng)量軸向拉力、撓度及軸向拉力被減小，同時(shí)軸向當(dāng)量軸向壓力及壓力增大;當(dāng)軸向力改為壓力，有固定墩時(shí)小于沒(méi)有固定墩跨越管道的最大彎矩大于的值，若為拉力時(shí)，則大于無(wú)固定墩的最大彎矩;有固定墩的跨越管道中的彎矩的絕對(duì)值的小于嵌固端跨彎矩的絕對(duì)值。而無(wú)固定墩跨越管道的橫向反力系數(shù)的值是兩者大小關(guān)系的主要因素。當(dāng)進(jìn)行靜力分析時(shí)，跨越時(shí)可不設(shè)置錨固墩的管道有：遠(yuǎn)離壓縮機(jī)站的輸氣管道、等溫輸送的成品油管道以及低溫LNG管道;而輸熱油管道通過(guò)設(shè)計(jì)方案作對(duì)比來(lái)確定是否設(shè)置錨固墩。

3 研究技術(shù)

長(zhǎng)輸管道直跨力學(xué)分析時(shí)指出：首先將埋地管線直管跨越簡(jiǎn)化為大撓度梁，考慮管道幾何非線性關(guān)系，然后將埋地管道作為有限長(zhǎng)梁，顧及土壤縱向力的非線性關(guān)系，研究了彎矩、應(yīng)力、撓度在橫向的分布以及溫差、固定墩位置、自重、跨長(zhǎng)及防腐層厚度變化對(duì)彎矩、應(yīng)力、撓度的影響。研究結(jié)果表明：隨著懸空段距離的增加，固定墩處彎矩、跨中彎矩變化過(guò)程是從小于到大的，跨度為5～10m時(shí)的跨中撓度迅速增加，隨后逐漸平穩(wěn)。應(yīng)變的計(jì)算方法研究長(zhǎng)輸管道變形問(wèn)題，得出了管道應(yīng)變分析的計(jì)算方法，首先將長(zhǎng)輸管道作為簡(jiǎn)支梁，以軸線伸長(zhǎng)為基礎(chǔ)，據(jù)此建立了梁變形問(wèn)題的方程和位移與應(yīng)變之間的關(guān)系，然后根據(jù)同一基線上位置不同及同一截面的各個(gè)位置的應(yīng)變值，通過(guò)位移與應(yīng)變之間的關(guān)系采用數(shù)值計(jì)算的方法求解得到簡(jiǎn)支梁的變形量，最后根據(jù)應(yīng)變值計(jì)算出撓度值。由于管道兩端受到固定墩的約束，所以管道由于撓度存在，伸長(zhǎng)，利用梁的大撓度理論可以計(jì)算軸線長(zhǎng)度。這種計(jì)算方法雖然存有一定的誤差，但是通過(guò)撓度曲線的計(jì)算得到的趨勢(shì)有一定的可信度。清華大學(xué)的郭瑞平、李廣信運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)北京二里莊小區(qū)供熱管網(wǎng)“L”形管道的固定墩受力進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出內(nèi)力及位移的分布規(guī)律，并分析了各參數(shù)（結(jié)構(gòu)、彎頭夾角θ）對(duì)最大應(yīng)力的影響。而且指出了管網(wǎng)中“L”形管道彎頭部位容易發(fā)生破裂的原因，并得出了一系列對(duì)施工和設(shè)計(jì)有巨大參考價(jià)值的結(jié)論。中國(guó)石化集團(tuán)勝利油田設(shè)計(jì)院的陳同彥、賈春磊等應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)在懸索式管橋體系進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析，重點(diǎn)分析了管橋的主要構(gòu)件的受力情況，并對(duì)安裝尺寸的確定進(jìn)行了討論。利用懸索幾何結(jié)構(gòu)非線性的關(guān)系，采用ANSYS的結(jié)構(gòu)分析模塊，首先采用懸索體系的數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行索形配型，計(jì)算分析各種工況的結(jié)構(gòu)靜力，為確定合理的安裝尺寸，為管道施工提供理論依據(jù)。

中國(guó)石油北京天然氣公司的安宇、董紹華利用ANSYS軟件，分析了炸藥在地面爆炸時(shí)其擊波對(duì)跨越段架空管道的影響，對(duì)炸藥設(shè)置（炸藥用量、炸藥位置以及炸藥與管道的距離）進(jìn)行數(shù)值模擬，得出炸藥設(shè)置對(duì)架空管道應(yīng)力分布的影響，得出了管道在爆炸沖擊中受到壓應(yīng)力作用，且這種作用為瞬態(tài)受力過(guò)程，這一結(jié)論解決了爆炸沖擊波作用下架空管道的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。

長(zhǎng)江大學(xué)的陳希湘、馮然、陳譽(yù)等對(duì)天然氣管道的懸索跨越結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷作用下進(jìn)行響應(yīng)分析，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)懸索跨越結(jié)構(gòu)作出安評(píng)。研究得出抗風(fēng)索在風(fēng)荷載作用下發(fā)揮的作用起主要作用，得出抗風(fēng)索內(nèi)力變化最大，主要表現(xiàn)在迎風(fēng)面一側(cè)的抗風(fēng)索內(nèi)力變大，背風(fēng)面一側(cè)的抗風(fēng)索內(nèi)力變小，所以提出對(duì)該類橋的橋身桁架和吊索減小截面的建議，同時(shí)將主索和抗風(fēng)索截面加大，這樣就可以大大提高其安全性。

天津大學(xué)的王暉、韓博等采用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)大跨度圓弧形拱式跨越管道進(jìn)行參數(shù)化建模，并計(jì)算了所建模型在多種靜力荷栽共同作用下的變形與應(yīng)力分布情況，對(duì)本結(jié)構(gòu)不同壁厚、不同管徑的模型進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，以探究影響管道穩(wěn)定的因素，可為圓孤形拱式跨越管道的設(shè)計(jì)提供。

西南石油大學(xué)的魏孔瑞，姚安林將油氣長(zhǎng)輸埋地管道懸空段管道簡(jiǎn)化為兩端彈性支撐的力學(xué)模型，懸空后可視其為具有跨越能力的懸垂跨越管道，計(jì)算油氣管道懸空沉降變形引起的附加應(yīng)力和最大允許懸空長(zhǎng)度#依據(jù)強(qiáng)度理論，建立懸空管道沉降變形失效評(píng)估模型#最后，結(jié)合工程實(shí)例說(shuō)明該評(píng)估模型的使用方法。

新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院的成磊，運(yùn)用大質(zhì)量地震輸入方式，建立了ANSYS分析模型，在地震波作用下，以典型的懸索跨越管道進(jìn)行非線性動(dòng)力分析，得出在道地震響應(yīng)結(jié)果下的懸索跨越管應(yīng)力分布，并且分析了懸索跨越管道地震響應(yīng)的規(guī)律和特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卣鸩ㄗ饔糜趹宜骺缭焦艿罆r(shí)，彎管處受力最大，管跨中心撓度最大，地震橫波和縱波對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大。

結(jié)論

基于管道跨越結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)的特殊性，極容易受到斷層、土體塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的影響。因此，建立了埋地管道坍塌在土壤作用下的有限元力學(xué)模型，分析了各角度（30°，40°，50°，60°）坍塌和不同長(zhǎng)度土壤發(fā)生沉降時(shí)，懸索管道的應(yīng)力變化程度。結(jié)果表明，當(dāng)埋地管道的角度確定后，便可得出安全沉降距離;當(dāng)埋地管道角度為50°時(shí)，沉陷長(zhǎng)度應(yīng)小于13.6m，就可保證管道不會(huì)發(fā)生塑性變形。研究的結(jié)果為埋地管道的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，研究的結(jié)果可應(yīng)用在類似的埋地管道的應(yīng)力設(shè)計(jì)中。

參考文獻(xiàn)

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