含硫油氣田埋地彎管應(yīng)力分析研究

曾文廣，溫寧華，許艷艷，高 亮，肖雯雯，王毛毛，陳迎鋒

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石油化工集團公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 102209)

0 前 言

油田集輸管線大多都是埋地管線，埋地管道在運行過程中除了承受內(nèi)壓載荷和軸向載荷外，還會受溫度載荷及外界其他載荷的影響。管道在多種載荷作用下會發(fā)生軸向與橫向位移，導(dǎo)致管道損傷；彎管位置由于幾何不連續(xù)性會導(dǎo)致應(yīng)力增加，更容易發(fā)生危險[1，2]。目前對于彎管的研究集中在曲率半徑、管徑和壁厚等單一因素變化對彎管受力影響的方面[3-5]，對不同結(jié)構(gòu)彎管方面也有所研究[6-8]，梁政[3]明確了利用“彈性抗彎鉸”進行彎頭受力計算的方法，并進行了強度校驗；郭婷婷等[6]利用ANSYS有限元軟件進行數(shù)值模擬，分析了彎管管徑、壁厚等對40°～90°供熱直埋折角 彎管應(yīng)力的影響規(guī)律，但對于彎管受服役工況變化等多因素綜合評價方面的研究較少，直接指導(dǎo)現(xiàn)場彎管風(fēng)險排查具有一定的局限性。本工作以某油田油氣混輸管線數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用CARSAR2管道應(yīng)力分析軟件計算管線典型位置彎管的受力情況，對影響彎管應(yīng)力參數(shù)敏感性因素進行分析，建立彎管處應(yīng)力評價綜合影響因子模型，以為現(xiàn)場工程彎管受力風(fēng)險快速排查、管道維護和施工提供支撐。

1 管道受力計算方法

對于長輸或集輸液態(tài)介質(zhì)埋地管道的應(yīng)力校核根據(jù)ASME B31.4-2016“Pipe Line Transportation Systems For Liquids And Slurries”[9]將埋地管道分為3部分，分別為架空段、過渡段、自然錨固段，其中架空段為管道出土后的管段，其不受土壤約束；由于溫差產(chǎn)生的熱推力大于土壤對管道產(chǎn)生的摩擦力，過渡段管道可以沿軸向發(fā)生位移；由于溫差產(chǎn)生的熱推力等于土壤對管道產(chǎn)生的摩擦力，自然錨固段管道不會發(fā)生軸向位移。

針對埋地管道，不考慮架空段，對于埋地段，自然錨固段管道軸向變形被土壤限制，轉(zhuǎn)化為載荷和壓應(yīng)力。過渡段管道為自由端與自然錨固端之間的區(qū)域，摩擦力不斷提高，區(qū)域內(nèi)變形可分為軸向變形和橫向變形(橫向變形通常發(fā)生與彎管、三通區(qū)域)。

1.1 自然錨固段計算方法解析

自然錨固段管道不發(fā)生變形，僅考慮在靜態(tài)載荷下的應(yīng)力校核即可。自然錨固段的校核公式：

|SE-SH|+Sθ≤0.9σy

式中：SE為熱脹推力，MPa；SH為內(nèi)壓導(dǎo)致泊松效應(yīng)力，MPa；Sθ為彎曲應(yīng)力，MPa；σy為屈服強度，MPa。

1.2 過渡段計算方法解析

軸向變形計算最小錨固段的長度可以由下式給出：

式中：SE為熱脹推力，MPa；SH為內(nèi)壓導(dǎo)致泊松效應(yīng)力，MPa；SF為內(nèi)壓導(dǎo)致的軸向壓力，MPa；Fax為土壤對管道軸向極限摩擦載荷，MPa。

大于此長度的管段將被完全約束住，不發(fā)生移動，所以重點關(guān)注活動段的受力分析。

橫向變形計算彎管處橫向變形導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力可以由下式計算：

式中：M為彎矩，Nm；E為彈性模量，MPa；I為極慣性矩，Nm。

因此，過渡段的校核公式：

式中：A為管道橫截面金屬面積，cm2；μ為土壤摩擦系數(shù)；Sb為彎頭處橫向變形導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力，MPa。

2 典型埋地管道力學(xué)建模

本工作應(yīng)用CAESAR2軟件進行埋地管道力學(xué)分析，CAESAR2軟件本質(zhì)上采用有限元方法進行管道受力計算[10，11]，然后根據(jù)長輸油氣管道評價標(biāo)準(zhǔn)對管道應(yīng)力進行校核，評價管道安全狀態(tài)。

某油氣混輸管線2013年10月18日投用，采用L245NS無縫鋼管，管線規(guī)格為φ168 mm×5 mm，長度為6.93 km，屈服強度為245 MPa，極限強度為415 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，彎管采用規(guī)格為φ168 mm×6.0 mm-R900 mm，L245NS，R=nD=6D(R為彎頭曲率半徑，D為彎管直徑)的熱煨彎管，管道安裝時溫度為30 ℃，輸送原油密度介于0.806 5～0.853 5 g/cm3，溫度為40～70 ℃，管道設(shè)計壓力為2.5 MPa。

輸入管道單元的長度(每個點的坐標(biāo)值)、彎管半徑、管道運行壓力、運行溫度、管道材質(zhì)等基礎(chǔ)信息；根據(jù)管線實際圖紙及實際工況，建立幾何模型及管道模型(見圖1和圖2)。針對已建模型，對OPE工況(運行狀態(tài)工況組合)下，包括對重力載荷、內(nèi)壓載荷、溫度載荷進行計算，獲取每個節(jié)點處的彎管應(yīng)力變化情況。

圖1 某管線管幾何模型

圖2 管道模型

3 影響彎管應(yīng)力參數(shù)敏感性分析

管線在運行過程中，彎管處應(yīng)力影響因素包括：土壤摩擦系數(shù)、土壤內(nèi)摩擦角、土壤夯實程度、彎管曲率半徑、彎管角度、管道運行溫度、管道運行壓力等因素。

3.1 土壤摩擦系數(shù)對彎管應(yīng)力的影響

土壤摩擦系數(shù)影響管道軸向力分布，通過CAESAR2軟件模擬計算土壤摩擦系數(shù)對彎管應(yīng)力影響，由圖3可知：隨著土壤摩擦系數(shù)的增加，彎管處應(yīng)力逐漸降低，且降低幅度不受壓力和溫度載荷的變化影響。

圖3 土壤摩擦系數(shù)對彎管應(yīng)力影響

3.2 土壤內(nèi)摩擦角對彎管處應(yīng)力的影響

土壤內(nèi)摩擦角影響管道的橫向剛度，通過CAESAR2軟件模擬計算土壤內(nèi)摩擦角對彎管應(yīng)力影響，由圖4可知：彎管處的應(yīng)力隨著土壤內(nèi)摩擦角的增加而增加，且不受溫度載荷和壓力載荷的變化影響。

圖4 土壤內(nèi)摩擦角對彎管應(yīng)力影響

3.3 土壤回填系數(shù)(夯實程度)對彎管處應(yīng)力的影響

土壤夯實程度影響管道橫向剛度，通過CAESAR2軟件模擬計算土壤回填系數(shù)對彎管應(yīng)力的影響，由圖5可知：彎管處的應(yīng)力隨著土壤夯實程度的增加先增加再緩慢減小，溫度載荷與壓力載荷具有一定影響，但是影響較小可以忽略。

圖5 土壤回填系數(shù)對彎管應(yīng)力影響

3.4 彎管直徑對彎管處應(yīng)力的影響

彎管曲率半徑、彎管角度影響彎管附近軸向力分布，根據(jù)管線實際運行情況對模型進行參數(shù)設(shè)定，當(dāng)環(huán)境溫度為10 ℃，運行溫度為60 ℃，運行壓力為2.5 MPa時，通過CAESAR2軟件模擬計算彎管曲率半徑對彎管應(yīng)力的變化關(guān)系，由圖6可知：彎管處應(yīng)力隨著彎管直徑的增加而減小，當(dāng)彎管直徑較小時，減小幅度較大，當(dāng)彎管直徑較大時，減小幅度趨于平緩。

圖6 彎管曲率半徑對彎管應(yīng)力的變化關(guān)系

3.5 管道運行溫度對彎管處應(yīng)力的影響

管道運行溫度影響管道軸向力分布，當(dāng)彎管曲率半徑為6倍管道直徑，運行壓力為2.5 MPa，環(huán)境溫度為10 ℃時，通過軟件模擬計算彎管處應(yīng)力隨運行溫度的變化關(guān)系，由圖7可知：彎管處應(yīng)力隨著運行溫度的升高而增大，近似呈線性關(guān)系。

圖7 彎管處應(yīng)力隨運行溫度的變化

3.6 彎管角度與溫度對彎管應(yīng)力的影響

通過CAESAR2軟件對彎管角度與溫度對彎管應(yīng)力的影響進行計算，由圖8可知溫度升高對小角度彎管的影響大于大角度彎管。由圖9彎管角度對彎管應(yīng)力的影響可知，當(dāng)彎管角度在30°～90°之間時，彎管角度越小，相同條件下彎管處的應(yīng)力越大，大于90°時，隨著彎管角度增加，應(yīng)力隨之增加，彎管角度為90°時，應(yīng)力最小。

圖8 彎管溫度對彎管應(yīng)力的影響

圖9 彎管角度對彎管應(yīng)力的影響

3.7 運行壓力與溫度對彎管處應(yīng)力的影響

管道運行壓力影響管道軸向力分布與應(yīng)力校核，由圖10可知：在運行溫度較高的工況下，彎管處應(yīng)力隨著運行壓力的增加而降低；在運行溫度較低的工況下，彎管處應(yīng)力隨著運行壓力的增加而增加。

圖10 運行壓力對彎管應(yīng)力的影響

溫度載荷在彎管處產(chǎn)生的為壓應(yīng)力，而內(nèi)壓載荷產(chǎn)生的為拉應(yīng)力，由圖11可知，在運行溫度較低工況下，內(nèi)壓載荷占據(jù)主導(dǎo)作用，彎管處為拉應(yīng)力，所以隨著運行壓力增加，彎管處應(yīng)力增加，在運行溫度較高的工況下，溫度載荷占據(jù)主導(dǎo)作用，彎管處為壓應(yīng)力，所以隨著運行壓力的增加，彎管處應(yīng)力降低。

圖11 運行溫度對彎管應(yīng)力的影響

4 彎管應(yīng)力力學(xué)評價綜合參數(shù)影響因子

為了方便實際工程彎管應(yīng)力分析，判斷管線不同彎管的應(yīng)力水平，根據(jù)彎管處的主要影響參數(shù)，確定彎管處應(yīng)力評價綜合參數(shù)影響因子μ，可由下式給出：

μ=α·β·λ·γ·ω

其中：α為土壤摩擦系數(shù)影響因子；β為土壤內(nèi)摩擦角影響因子；λ為土壤夯實系數(shù)影響因子；γ為彎管角度-溫度綜合影響因子；ω為運行壓力-溫度綜合影響因子。各因子參量的取值如表1～5所示。根據(jù)管線實際運行情況，可對各因子進行取值，綜合計算μ的變化，彎管應(yīng)力評價綜合參數(shù)影響因子μ值越大說明彎管風(fēng)險越高，從而通過μ值的變化對彎管風(fēng)險進行快速排查。

表1 土壤摩擦系數(shù)影響因子

表2 土壤內(nèi)摩擦角影響因子

表3 土壤夯實系數(shù)影響因子

表4 彎管角度-溫度綜合影響因子

表5 運行壓力-溫度綜合影響因子

5 結(jié) 論

(1)彎管處應(yīng)力隨著運行溫度的升高而增加，且近似呈線性關(guān)系；在運行溫度較高的工況下，彎管處應(yīng)力隨著運行壓力的增加而降低；在運行溫度較低的工況下，彎管處應(yīng)力隨著運行壓力的增加而增加；彎管處應(yīng)力隨著彎管角度的增加，先增加后降低。

(2)通過對影響彎管處應(yīng)力的參數(shù)敏感性分析，得出主要參數(shù)的影響因子，最終確定了彎管處應(yīng)力評價綜合參數(shù)影響因子，因子μ值越大說明彎管風(fēng)險越高，利用彎管處應(yīng)力評價綜合參數(shù)影響因子的大小，可進行現(xiàn)場工程彎管風(fēng)險快速排查。