天然氣彎管屈曲變形模擬研究

卓海森

(國家管網(wǎng)集團(福建)應急維修有限責任公司，福建莆田 351100)

0 引言

埋地管道在受到地層的沉陷、移動以及周邊環(huán)境變化等因素產生的載荷作用時，會發(fā)生壓縮屈曲失穩(wěn)或拉伸失效[1-2]。一般情況下，管道局部屈曲更易發(fā)生。局部屈曲主要由外壓、內壓、軸向力和彎矩的綜合作用所致。此外，僅有外壓作用時，管道甚至會發(fā)生壓潰現(xiàn)象[3]。管道屈曲會破壞油氣管道完整性，對管道安全產生嚴重影響。研究管道在外部載荷作用下的屈曲行為對保護管道安全具有重要的工程價值。

金瀏等[2]研究了場地沉陷作用對埋地管道的屈曲模態(tài)，得到了沉陷長度、管道埋深、管徑、壁厚及場地條件等對管道屈曲反應的影響規(guī)律。朱慶杰等[4]研究了場地條件和斷層參數(shù)對埋地管道破壞行為的影響；全愷等[5]開展了輸氣管道在走滑斷層作用下的屈曲響應研究，分析了斷層錯動量、徑厚比、內壓、不同鋼級材料等參數(shù)的影響。高惠瑛等[6]提出了場地沉陷作用下埋地管道反應的分析方法。王鵬等[7]通過有限元分析，研究了內壓和側壓作用對管道屈曲變形模式的影響。Kyriakides等[8]研究表明，當管道徑厚比大于26時，易發(fā)生殼型屈曲?，F(xiàn)有研究主要集中于管道均勻屈曲變形方面，局部非均勻屈曲變形的研究較少。在外荷載作用下，地形、埋設深度、壓力波動、管道幾何參數(shù)等因素均對埋地管道屈曲失效產生影響，其屈曲變形模態(tài)較復雜。

1 宏觀檢測與理化分析

2019年，福建某天然氣管道在進行內檢測時發(fā)現(xiàn)，該管線水平彎管發(fā)生變形。開挖后發(fā)現(xiàn)該彎管因變形而導致外弧側1:00至5:00之間發(fā)生屈曲，實測變形后彎曲角度為26.1°。變形管道規(guī)格為Φ406.4×7.9 mm，管道為L415MB無縫鋼管。對變形鋼管進行了宏觀檢測與理化性能分析。

首先，采用直尺對管段軸向尺寸進行測量,得知送樣管段長約3.4 m，其中彎管長約3.2 m，對接直管長250 mm，彎曲角27.6°，比原始角減小49.8%。該角度大于現(xiàn)場的實測值，原因在于現(xiàn)場測量時變形彎管連接于管線中，受到管線約束應力，切割后應力釋放，變形量發(fā)生變化。屈曲位于外弧側，上游氣割斷口位于對接直管上，下游氣割斷口位于環(huán)焊縫處，防腐層完全脫落；內弧側防腐層局部脫落(軸向長度1.8 m)，其他未完全脫落的防腐層存在環(huán)向裂紋。

其次，對送樣管段的圓度進行測量發(fā)現(xiàn)彎管變形后直徑和圓度出現(xiàn)了不均勻現(xiàn)象，其中屈曲處和下游變形較大，屈曲上游變形較小。采用游標卡尺對屈曲高度和寬度進行了測量，發(fā)現(xiàn)屈曲環(huán)向分布于外弧側1:00至5:00，最大高度位于3:00，高約28 mm；屈曲軸向寬度60～80 mm。屈曲寬度沿環(huán)向從中間到兩邊逐漸增大，屈曲高度沿環(huán)向從中間到兩邊逐漸降低。采用PosiTector6000型超聲波測厚儀對管段屈曲處壁厚進行測量后發(fā)現(xiàn)，屈曲處壁厚比未變形處明顯增大。對送樣管段環(huán)焊縫和屈曲部位進行磁粉和超聲檢測，均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

最后，對送樣彎管的直管段、環(huán)焊縫、彎管直段管體、外弧側、內弧側和屈曲部位分別取樣進行化學成分、拉伸性能、夏比沖擊性能、硬度及金相分析。結果表明：被檢測鋼管位置的理化性能均符合相應技術規(guī)范，僅外弧側縱向拉伸性能初檢不合格。

2 彎管屈曲變形的模擬計算

基于對送樣鋼管的宏觀檢測與理化分析結果，對鋼管屈曲變形原因進行了初步排除。由于該管道在服役期間，其周邊環(huán)境發(fā)生過較大變化，周邊環(huán)境的變化產生的載荷可能對管道產生影響。因此，利用有限元軟件模擬計算該鋼管在不同載荷下的變形情況，以此分析導致鋼管變形的原因。

2.1 鋼管變形受載原因

屈曲彎管埋設位置處于工業(yè)園區(qū)內，周邊環(huán)境變化包含工業(yè)園區(qū)建筑物、覆土、下游公路、車輛動載等，同時，調研發(fā)現(xiàn)該彎管處于地下水作用下形成的軟基之中。屈曲彎管上游兩側建筑載荷對稱擠壓軟基，使彎管上游直管段受到平衡的推力，相當于固支。在屈曲彎管下游，地面比較開闊，沒有平衡載荷來源，根據(jù)彎管周邊環(huán)境情況，確定了有限元模擬分析的4種載荷形式：軸向載荷；垂直軸向的水平面內載荷；豎直向下的載荷；水平面內轉角。

2.2 有限元模型

采用ABAQUS軟件建立55°熱煨彎管有限元模型，彎管材料彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服極限取測試均值484 MPa。彎管內部施加設計壓力7.5 MPa，彎管上游直管端面固支，下游直管端面分別加載4種載荷形式：下游段軸向位移；下游段垂直軸向載荷;下游段向外弧彎矩;下游段向外弧彎矩+軸向拉伸。

2.3 不同載荷形式下彎管變形分析

2.3.1 下游直管受軸向載荷

固定彎管上游直管端面，下游直管端面施加0.5 m的軸向位移載荷，在7.5 MPa設計壓力下模擬結果，彎管在沿軸向的拉伸及壓縮位移載荷作用下未發(fā)生局部屈曲，與實際不符。

2.3.2 下游直管受垂直軸向載荷

固定上游直管端面，在彎管下游直管端面施加0.5 mm的位移載荷，載荷方向垂直于軸向由內弧側向外弧側，在7.5 MPa設計壓力下模擬結果，彎管在垂直于軸向的位移載荷下未發(fā)生局部屈曲，與實際不符。

2.3.3 下游直管受彎矩載荷

固定上游直管端面，在彎管下游直管端面施加0.5弧度的彎矩載荷，載荷方向由內弧側向外弧側，在7.5 MPa設計壓力下模擬結果，在彎矩載荷作用下，彎管外弧側發(fā)生屈曲，但該屈曲為非對稱結構，與實際不符。

2.3.4 下游直管受彎矩和軸向位移復合載荷

固定上游直管端面，在彎管下游直管端面施加0.5弧度的彎矩和0.1 m的軸向位移載荷，在7.5 MPa設計壓力下模擬結果，彎管外弧側2:00～5:00之間發(fā)生對稱屈曲，與實際相符。

2.4 載荷數(shù)值估算

由2.3節(jié)有限元分析可知，彎矩+軸向載荷使得彎管發(fā)生相符變形，本節(jié)應用理論方法計算彎管屈曲載荷大小，并應用有限元模擬進行驗證。

2.4.1 載荷理論計算

換管過程中，在屈曲彎管下游直管段距屈曲彎管中心約2 m處開挖下囊坑，發(fā)現(xiàn)該處直管發(fā)生彎曲，調研發(fā)現(xiàn)該處管段原為直管段。該處直管在水平面內發(fā)生垂直軸向的局部位移，導致彎管受到力矩作用，同時在關系約束作用下導致屈曲彎管中心與該下囊坑之間管段的軸向位移，這與2.3節(jié)有限元模擬的彎管屈曲失效載荷形式相符。

下游直管變形過程如圖1所示，屈曲彎管原角度為55°，屈曲后角度變?yōu)?7.6°，共向外弧側偏移27.4°(0.5弧度)，根據(jù)三角形關系估算出彎管下游直管受拉伸的位移載荷為0.25 m。

圖1 下游直管變形示意圖

2.4.2 彎管屈曲位移有限元模擬驗證

在有限元模型中，對彎管下游施加理論計算的位移載荷(向外弧側偏移27.4°，軸向拉伸位移0.25 m)，模擬結果與實際屈曲照片對比如圖2所示，模型出現(xiàn)與實際彎管位置、形狀均相同的屈曲，進一步驗證了理論計算的準確性。

圖2 模擬結果與實際屈曲照片對比

2.4.3 變形數(shù)據(jù)對比

彎管屈曲處高度和寬度有限元計算數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，計算所得屈曲變形量與實測變形量接近。

表1 屈曲處計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比表

2.5 無內壓情況下彎管變形計算

在無內壓情況下，彎管發(fā)生屈曲的模擬結果，下游直管段首先屈曲失穩(wěn)，隨后彎管外弧側出現(xiàn)屈曲，屈曲不斷增大，最終形成不對稱屈曲。這與實際彎管的屈曲模式不符，因此實際彎管未在無內壓情況下發(fā)生屈曲。

3 綜合分析

結合前期收集的資料以及有限元模擬結果，綜合分析彎管發(fā)生屈曲的時間及屈曲的形成原因。

3.1 屈曲形成時間

公路鋪設之后、工業(yè)園區(qū)建設之前進行的一次內檢測中未發(fā)現(xiàn)屈曲，在工業(yè)園區(qū)建設之后(2019年)進行的一次內檢測發(fā)現(xiàn)屈曲。在形成彎管屈曲的時間段內，主要的環(huán)境變化是工業(yè)園區(qū)的建設，屈曲應是在工業(yè)園區(qū)建設過程中逐步形成。

3.2 屈曲形成原因

研究案例中彎管發(fā)生失效的可能影響因素有：管段材料性能、管道運行工況變化、下游公路的影響、工業(yè)園區(qū)建筑施工影響以及彎管附近由于地下水造成的軟基因素。首先，由于彎管本體、環(huán)焊縫及直管段理化性能檢驗結果均滿足相關標準要求，管段材料性能未發(fā)現(xiàn)異常。因此，彎管發(fā)生屈曲不會是鋼管理化性能改變引起。其次，無內壓條件下的有限元模擬結果表明，停輸情況下發(fā)生的屈曲是不對稱屈曲，說明管道運行工況變化不是彎管發(fā)生屈曲的主要原因。最后，通過公路建成之后進行的一次內檢測未發(fā)現(xiàn)屈曲的證據(jù)表明，車輛動載對下游管道產生的垂直向下載荷不會造成彎管的實際屈曲，公路建設和車輛動載不是彎管發(fā)生屈曲的主要原因。

通過以上分析可知，屈曲應是在工業(yè)園區(qū)建設過程中逐步形成的。分析屈曲彎管周邊建筑活動情況可知，建筑施工等載荷擠壓軟基向周圍移動，下游管段與2號樓距離最近，受軟基移動的影響向遠離2號樓方向偏移，在管系約束情況下，使彎管受到彎矩及軸向載荷，該載荷形式與模擬結果相符，因此，2號樓的建設造成彎管屈曲可能性最大。

3.3 環(huán)焊縫應力分析

環(huán)焊縫作為管道的薄弱環(huán)節(jié)，是最容易發(fā)生失效的部位，但在本實例中，與彎管對接的環(huán)焊縫未發(fā)生失效，為了分析其原因，在有限元模擬中對比了屈曲形成過程中環(huán)焊縫及彎管屈曲部位的應力狀態(tài)。

經過屈曲部位和環(huán)焊縫部位的應力歷程對比，在受力變形過程中，屈曲部位出現(xiàn)應力集中，最終應力超過屈服強度，發(fā)生屈曲，隨著變形的增加，管道應力大多集中在彎管屈曲部位，而環(huán)焊縫部位應力水平較低，不會發(fā)生失效。

4 結論

(1)有限元模擬結果表明，在有內壓情況下，單一軸向位移載荷、垂直于軸向位移載荷、彎矩載荷條件下彎管變形均與實際不符，彎矩和軸向載荷耦合作用下，彎管屈曲與實際相符。

(2)通過理論計算獲得了彎管下游直管位移和彎矩，彎管在此位移條件下的屈區(qū)變形量模擬結果與實際接近，表明模擬計算結果可以有效反映彎管的變形情況。

(3)無內壓情況下彎管變形模擬結果與實際彎管的屈曲形式不符，證明彎管未在無內壓情況下發(fā)生屈曲。