基于ANSYS的洪水漂浮管道的有限元分析與安全評(píng)估

王新慧 李 恒 李 兵 趙金強(qiáng) 楊 劍

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.青海中特檢特種設(shè)備檢測(cè)有限公司 西寧 810000）

長(zhǎng)輸管道作為能源輸送工具,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有十分重要的作用。而長(zhǎng)輸管道主要以埋地方式敷設(shè),在敷設(shè)過(guò)程中經(jīng)常穿越河流、溝壑、湖泊等水文活動(dòng)地域[1]。長(zhǎng)輸管道沿線地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。遇到洪水會(huì)造成管道漂浮、彎曲變形、疲勞損傷,甚至管道斷裂[2]。管道斷裂會(huì)造成環(huán)境污染、影響工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)民生,同時(shí)造成經(jīng)濟(jì)損失。因此,洪水對(duì)穿越河流的長(zhǎng)輸管道構(gòu)成較大安全隱患。

洪水對(duì)漂浮管道的作用十分復(fù)雜,漂浮后管道的力學(xué)分析成了不可避免的問(wèn)題,工程中常用靜態(tài)力學(xué)法的方法計(jì)算洪水中漂浮管道的受力情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,借助有限元分析軟件進(jìn)行流場(chǎng)分布和漂浮管道的力學(xué)仿真分析,成為一種必然趨勢(shì)[3]。本文引用某油田某原油管道的漂管真實(shí)案例,借助ANSYS有限元分析軟件對(duì)洪水沖擊服役環(huán)境下,漂浮管道受力情況進(jìn)行仿真計(jì)算分析[4],同時(shí)建立在該種漂浮情況下管道安全評(píng)估模型[5],為管道管理人員判斷漂浮管道的安全性、制定應(yīng)急措施提供決策依據(jù)。

1 力學(xué)模型的建立

漂浮管道是指在洪水沖刷下,埋地管道土層被水沖走,形成部分管道裸露漂浮在水中的情況。由于管道兩端仍然埋于土壤中,裸露管段會(huì)受到多種作用力的相互作用,故兩端埋于土壤中的管道為嵌固模型[6]。

假設(shè)洪水流速為v,管道x軸方向受到拖曳力FD和慣性力FI,y軸方向受到升力FL、浮力Ff以及管道和內(nèi)部介質(zhì)重力W,洪水中漂浮管段受力如圖1所示,根據(jù)Morison方程,得到單位長(zhǎng)度管道洪水作用力,見式（1）～式（3）。

圖1 漂浮管道載荷示意圖

式中：

ρw——洪水密度；

D——管道外徑；

ve——洪水平均流速；

CD——?jiǎng)铀枇ο禂?shù),見表1；

CL——?jiǎng)铀ο禂?shù),見表1；

CM——?jiǎng)铀畱T性系數(shù),見表1；

表1 水動(dòng)力系數(shù)

洪水密度ρw與其含泥沙量有關(guān)。單位長(zhǎng)度管道受到的浮力Ff,重力W和洪水密度ρw計(jì)算見式（4）～式（6）。

式中：

ρp——管材密度；

t——管壁厚度；

ρi——管內(nèi)介質(zhì)密度；

g——重力加速度；

ρ0——洪水和泥沙的總密度；

ρs——泥沙的密度；

Sv——單位體積比的含泥沙量[8]。

2 漂浮管道的有限元模型

對(duì)洪水中漂浮管段應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析。由于漂浮管段受力情況及管道與土接觸的影響因素很多,故假設(shè)管道本體無(wú)缺陷,材質(zhì)均勻,忽略振動(dòng)和溫度變化的影響,土壤為均勻的介質(zhì),采用簡(jiǎn)化模型計(jì)算。管土接觸使用COMBIN14單元模擬,COMBIN14單元不與管道接觸的一端采取固定端約束,其中土彈簧的剛度Ks計(jì)算見式（7）：

式中：

a——土層厚度；

bp——土層平面方向上的寬度；

m——土的比例系數(shù)；

z——各土層中點(diǎn)距地面距離。

單位長(zhǎng)度管道與土層的摩擦力F的關(guān)系見式（8）：

式中：

ρ——土壤密度；

g——重力加速度；

μ——管道外壁與沙土的摩擦系數(shù)；

Dc——管道外徑；

h——管頂覆土深度。

結(jié)合實(shí)際,建立有限元分析模型。

3 實(shí)例計(jì)算與分析

我國(guó)某輸油管道由于洪水沖刷形成漂浮管道。該管道為直縫電阻焊管,材質(zhì)為L(zhǎng)360,管徑為φ355.6×7.1 mm,工作壓力此處約為0.4～0.5 MPa,原油溫度為30～50 ℃,洪水溫度為15 ℃,洪水與管道的水平夾角約為60°,河水沖出露管長(zhǎng)度為76 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料對(duì)該段管道建立有限元分析模型,如圖2所示。管道采用PIPE16單元,忽略焊縫影響；將土壤看成均勻的介質(zhì),管土接觸使用COMBIN14單元模擬,COMBIN14單元不與管道接觸的一端采取固定端約束；為了準(zhǔn)確模擬工況,取管道總長(zhǎng)為160 m,裸露在外面的管道長(zhǎng)度為76 m,兩邊各埋地42 m,其中左邊埋深為2.5 m,右邊埋深為1.5 m,沿著X軸正方向89 m處出現(xiàn)最大位移。

圖2 該原油管道有限元模型

對(duì)上述模型施加載荷和邊界約束條件,進(jìn)行有限元計(jì)算分析,得到該原油管道變形最大時(shí)的應(yīng)力云圖,如圖3所示。

圖3 漂管變形最大時(shí)的應(yīng)力云圖

由圖3可知,該管道的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在變形最大位置處,達(dá)到354 MPa,接近管道的屈服強(qiáng)度360 MPa；另外左、右兩側(cè)入土端的等效應(yīng)力也較大,分別為247 MPa和298 MPa。漂管在變形最大位置處有可能發(fā)不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形,由于漂浮管道最大應(yīng)力值小于抗拉強(qiáng)度460 MPa,故該漂浮管道未發(fā)生斷裂,處于安全運(yùn)行狀態(tài),建議有關(guān)部門采取相應(yīng)措施。圖4所示為漂管現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖4 漂管現(xiàn)場(chǎng)圖

運(yùn)用軟件對(duì)不同長(zhǎng)度的漂浮管道進(jìn)行仿真計(jì)算,得到管道的最大應(yīng)力比率η與漂浮長(zhǎng)度L關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 應(yīng)力比率與長(zhǎng)度關(guān)系圖

由圖5可知,隨漂浮管段長(zhǎng)度的增大,管道應(yīng)力比率增大,同時(shí)最大應(yīng)力比率增長(zhǎng)也越快,管道失效概率也越大。由圖可知,漂浮管道應(yīng)力比增幅約0.53%/m；當(dāng)管道最大應(yīng)力比率達(dá)到100%時(shí),管道發(fā)生屈服變形。當(dāng)漂浮管道長(zhǎng)度達(dá)到臨界值Lmax時(shí),管道會(huì)發(fā)生失效,本案例中臨界長(zhǎng)度為111.56 m。

通過(guò)軟件擬合出漂浮長(zhǎng)度L與最大應(yīng)力比率η的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系見式（9）：

實(shí)際生產(chǎn)中,漂浮管道的應(yīng)力很難檢測(cè),為確保本實(shí)例中漂浮管道的安全運(yùn)行,在相同服役條件下,通過(guò)測(cè)得管道漂浮長(zhǎng)度后,來(lái)估算管道應(yīng)力值。

4 管道失效評(píng)估

實(shí)際生產(chǎn)中,漂浮長(zhǎng)度達(dá)到極限值就發(fā)生管道失效情況。因此將實(shí)際漂浮長(zhǎng)度與臨界長(zhǎng)度相比即可得到一個(gè)值,將該值定義為管道漂浮系數(shù)ξ,作為監(jiān)測(cè)地區(qū)漂浮輸油管道受力的指標(biāo),用式（10）表示：

其中Lmax的理論值可根據(jù)管道強(qiáng)度校核或者軟件計(jì)算獲得。由圖5可知漂浮長(zhǎng)度的變化規(guī)律,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng),建立漂浮管道危險(xiǎn)等級(jí)劃分準(zhǔn)則,見表2。

表2 漂浮輸油管道危險(xiǎn)等級(jí)準(zhǔn)則

根據(jù)上述分析,建立漂浮管道安全評(píng)估模型,如圖6所示。

圖6 漂浮管道評(píng)估程序

在洪水等其他參數(shù)一定時(shí),先計(jì)算出漂浮管段的應(yīng)力值,用最大的應(yīng)力值對(duì)管段進(jìn)行強(qiáng)度校核,若強(qiáng)度值不滿足,危險(xiǎn)程度評(píng)為嚴(yán)重,應(yīng)應(yīng)急搶修；若強(qiáng)度值滿足,則需計(jì)算出漂浮系數(shù)ξ,由表2評(píng)定漂浮管道的危險(xiǎn)等級(jí),根據(jù)方案進(jìn)行維護(hù)。

按照評(píng)估程序?qū)Ρ景咐M(jìn)行評(píng)估。該管段臨界漂浮長(zhǎng)度L為111.56 m,漂浮系數(shù)ξ為0.68,因此確定該管段危險(xiǎn)等級(jí)為2級(jí),危險(xiǎn)程度為中等,該管道可以安全運(yùn)行,但存在一定風(fēng)險(xiǎn),需要管道單位按照方案采取一定的維護(hù)措施。

5 結(jié)論

1）簡(jiǎn)單分析了漂浮管道的載荷情況,采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析,得到該種載荷條件下,漂浮管道最大應(yīng)力比率與漂浮長(zhǎng)度的關(guān)系,漂浮臨界長(zhǎng)度作為管道失效的指標(biāo)。

2）通過(guò)案例分析表明,本次評(píng)估的漂浮管段為中等危險(xiǎn)程度,管道漂浮危險(xiǎn)等級(jí)與管道的裸露系數(shù)密切相關(guān),管道的裸露系數(shù)隨著洪水流速增大或者漂浮管道長(zhǎng)度增加而增大。

3）從一個(gè)新角度建立漂浮管道安全評(píng)估模型,并進(jìn)行危險(xiǎn)等級(jí)劃分,為管道使用單位制定漂浮管道的搶險(xiǎn)方案提供了理論依據(jù)。

4）根據(jù)極限理論,建立了基于應(yīng)變的洪水漂浮管道安全評(píng)定方法,分析了在該種服役條件下,洪水流速和漂浮管道長(zhǎng)度與管道失效的關(guān)系,并對(duì)本實(shí)例漂浮管道進(jìn)行安全評(píng)定和極限狀態(tài)分析。

5）本次仿真分析采用簡(jiǎn)化模型,仿真結(jié)果與真實(shí)值存在誤差,但誤差在工程允許10%的范圍內(nèi),較真實(shí)地反映了現(xiàn)場(chǎng)工況。