載荷作用下的天然氣管道斜接管強度評估

張利杰 賀新紅

（浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江寧波 315000）

0 引言

天然氣是現(xiàn)今使用較為廣泛的清潔能源之一，在中國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中占據(jù)著關(guān)鍵位置，也是改善生態(tài)環(huán)境的主要途徑之一。調(diào)查研究數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，中國天然氣消費量達到了3 726億m3，在能源消費中占比較大，并呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢。由此可見，天然氣發(fā)展情況的好壞直接關(guān)系著中國社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r。管道是天然氣運輸?shù)年P(guān)鍵載體，目前，中國已經(jīng)完成全國管網(wǎng)的建設(shè)，主要包含主干線、聯(lián)絡(luò)線、省際線、配氣線等。隨著經(jīng)濟水平的不斷提升，天然氣供應(yīng)需求量急劇增加，對天然氣管道建設(shè)提出了更高的要求，管道能否穩(wěn)定、安全運行成為影響天然氣供應(yīng)的關(guān)鍵所在[1]。

近年來，天然氣管道斜接管安全事故頻發(fā)，給相關(guān)部門留下了慘痛的教訓(xùn)。以某省管道爆炸事故為例，該事故造成了多人受傷與死亡，經(jīng)濟損失高達600萬元，并致使事故區(qū)域天然氣供應(yīng)停滯約1個月時間，這表明中國在天然氣管道監(jiān)控方面還存在著很多的不足。對天然氣管道事故進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)由斜接管強度不足引發(fā)的事故在頻率上占比第一，而且在提出與實施多條監(jiān)管措施的背景下，此類事故發(fā)生頻率依舊居高不下，故提出了載荷作用下天然氣管道斜接管強度評估方法的研究。

1 天然氣管道斜接管強度評估方法研究

1.1 斜接管有限元模型構(gòu)建

為提升斜接管強度評估的精度，首要任務(wù)就是構(gòu)建斜接管有限元模型，并對其進行有限元分析，為后續(xù)極限載荷的計算奠定堅實的基礎(chǔ)[2]。

斜接管有限元分析結(jié)果與其單元形式之間存在著緊密的聯(lián)系，單元形式選取是否正確會影響強度評估結(jié)果的精度，由此可見，正確選取單元形式是有限元分析的基礎(chǔ)與前提。單元形式主要包括面、線、板殼和三維實體[3]，在斜接管有限元模型構(gòu)建過程中，通過每種單元形式優(yōu)劣勢的分析與探究，結(jié)合斜接管的實際情況，選取三維實體單元形式作為有限元模型構(gòu)建單元，其能夠清晰地模擬斜接管完整應(yīng)力分布情況，并且該單元形式適應(yīng)性較強，能與多種形狀相協(xié)調(diào)，更加能夠體現(xiàn)斜接管與管道連接位置的實際情況，為有限元分析提供支撐。

斜接管有限元模型構(gòu)建過程中，網(wǎng)格劃分也是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量與數(shù)量是影響后續(xù)分析與計算的關(guān)鍵因素。為了提升構(gòu)建模型的精密性，將其分割為三個部分，分別為管道、斜接管及二者連接區(qū)域。需要注意的是，對管道與斜接管連接區(qū)域的網(wǎng)格劃分應(yīng)該更加精細。雖然精細網(wǎng)格劃分會延長有限元模型構(gòu)建的時間，但卻能夠獲得精度較高的分析結(jié)果，對研究來說，利大于弊，故應(yīng)最大限度地精細劃分斜接管有限元模型網(wǎng)格[4]。

為簡化研究過程，利用斜接管結(jié)構(gòu)的對稱性，依據(jù)上述選取的單元形式、確定的網(wǎng)格劃分規(guī)則，截取斜接管結(jié)構(gòu)的1/2進行有限元建模，具體如圖1所示。

圖1中，L與D表示管道的長度與內(nèi)徑；l與d表示斜接管的長度與內(nèi)徑；θ表示斜接管與管道的夾角。

圖1 斜接管有限元模型示意圖

以上述構(gòu)建的斜接管有限元模型為基礎(chǔ)，對其載荷與邊界條件進行深入探究，為后續(xù)極限載荷的計算提供支撐。在斜接管實際應(yīng)用過程中，其載荷來自多個方面的共同作用，但以內(nèi)壓為主[5]。常規(guī)情況下，隨著內(nèi)壓的不斷加大，斜接管與管道連接區(qū)域受到的壓力也會增加，從而產(chǎn)生變形現(xiàn)象，若變形超過一定的閾值，則會導(dǎo)致管道破裂的事故。

斜接管載荷計算公式為：

由于構(gòu)建模型具有對稱性，將斜接管斷面全部節(jié)點進行旋轉(zhuǎn)變換，并對其進行位移約束，即可獲得斜接管邊界信息，為后續(xù)研究的進行提供便利。

上述過程完成了斜接管有限元模型構(gòu)建，奠定了研究進行的基礎(chǔ)與前提。

1.2 斜接管極限載荷計算

以上述構(gòu)建的斜接管有限元模型為基礎(chǔ)，衡量斜接管應(yīng)力集中系數(shù)，以此確定斜接管的極限載荷，為最終斜接管強度評估的實現(xiàn)提供依據(jù)。

應(yīng)力集中系數(shù)反映的是在載荷作用下斜接管局部范圍內(nèi)應(yīng)力明顯增大的程度，計算公式為：

式中：β為應(yīng)力集中系數(shù)；υθ為實時應(yīng)力值；αθ′為最大基本應(yīng)力；P為極限載荷；k為斜接管管道材料厚度。

在斜接管應(yīng)用過程中，隨著載荷數(shù)值的不斷增加，斜接管與管道連接區(qū)域最先開始屈服，應(yīng)力由此向外擴展。但是，管道具有一定的彈性，當(dāng)載荷數(shù)值在閾值以下時，斜接管處于彈性階段，應(yīng)力分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，并不會對管道安全產(chǎn)生較大的影響[6]。當(dāng)載荷數(shù)值超過閾值時，斜接管處于塑性階段，應(yīng)力分布呈現(xiàn)出無規(guī)律性，管道開始出現(xiàn)形變。形變?nèi)羰沁^大，管道就會發(fā)生破裂，導(dǎo)致天然氣泄漏，如在此時遇到明火，就會發(fā)生爆炸事故。需要注意的是，應(yīng)力變化情況與斜接管實際結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系，但其與斜接管、管道的夾角θ存在著較為密切的關(guān)系。常規(guī)情況下，應(yīng)力值υθ隨著夾角θ的增大而減小，兩者呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)關(guān)系。因此，在管道建設(shè)過程中，應(yīng)該盡可能采用夾角大于30°的斜接管結(jié)構(gòu)。

與此同時，隨著載荷數(shù)值的增加，斜接管變形程度加大。獲取斜接管應(yīng)力分布數(shù)值，將其代入公式（2），經(jīng)過方程式求解，即可獲得斜接管極限載荷P，為后續(xù)研究的進行提供助力。

1.3 斜接管內(nèi)腐蝕預(yù)測

隨著應(yīng)用時間的增加，斜接管內(nèi)部會產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，這也是影響其強度的關(guān)鍵因素，故此節(jié)對斜接管內(nèi)部腐蝕情況進行預(yù)測，為最終強度評估的實現(xiàn)提供依據(jù)[7]。

根據(jù)已有文獻研究可知，造成管道內(nèi)部腐蝕現(xiàn)象的主要參數(shù)為溫降、壓降與平均腐蝕速率。其中，溫降計算公式為：

式中：T為溫降參數(shù)數(shù)值；T0為管道內(nèi)部初始溫度；TQ為斜接管內(nèi)部實時溫度；M為輔助參數(shù)；CP為斜接管應(yīng)力變化因子；P0為斜接管初始應(yīng)力數(shù)值。

壓降參數(shù)無法直接測量獲得，需要通過下述方程計算而得：

式中：Z為壓降參數(shù)數(shù)值；R為斜接管內(nèi)部半徑數(shù)值；g為重力加速度；χ為輔助運算因子，取值范圍為0～1。

平均腐蝕速率需要依據(jù)實際天然氣運輸情況進行預(yù)測，表達式為：

式中：Vτ為平均腐蝕速率數(shù)值；p與q為隨機整數(shù)；F（v）為天然氣運輸過程中管道的損失系數(shù)；G（t）為腐蝕時間系數(shù)；Vc為標(biāo)準(zhǔn)腐蝕速率。

依據(jù)公式（3）（4）（5）計算結(jié)果，預(yù)測斜接管內(nèi)腐蝕情況，為了方便研究，將其轉(zhuǎn)換為斜接管內(nèi)壁面損失，表達式為：

式中：ζ為斜接管內(nèi)壁面損失；σ2為斜接管內(nèi)腐蝕程度參量。

一般情況下，壁面損失越大，則斜接管厚度越薄，其強度也就越差。

上述過程完成了斜接管內(nèi)部腐蝕情況的預(yù)測，為研究目標(biāo)的實現(xiàn)提供了支撐。

1.4 斜接管強度評估實現(xiàn)

以上述獲得的斜接管內(nèi)壁面損失數(shù)值為基礎(chǔ)，制定斜接管強度評估程序與規(guī)則，獲取精準(zhǔn)的斜接管強度結(jié)果，為天然氣管道的安全使用提供保障。

斜接管強度評估是天然氣管道運行過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是管道檢查與維修的主要依據(jù)。依據(jù)斜接管實際作業(yè)情況，制定強度評估程序，具體如圖2所示。

圖2 斜接管強度評估程序圖

如圖2程序所示，斜接管安全系數(shù)的計算是強度評估的主要數(shù)據(jù)依據(jù)，計算公式為：

式中：Г為斜接管安全系數(shù)；ξm為腐蝕預(yù)測的分項安全系數(shù)；t為時間；η為固定的最小拉伸強度；ξd為腐蝕深度的分項安全系數(shù)；Q為長度校正系數(shù)。

以公式（7）計算結(jié)果為基礎(chǔ)，制定強度評估規(guī)則，具體如下：

（1）當(dāng)Г處于[0.0，0.3]范圍內(nèi)時，認定斜接管強度較差；

（2）當(dāng)Г處于[0.4，0.5]范圍內(nèi)時，認定斜接管強度一般；

（3）當(dāng)Г處于[0.6，0.8]范圍內(nèi)時，認定斜接管強度尚可；

（4）當(dāng)Г處于[0.9，1.0]范圍內(nèi)時，認定斜接管強度較好。

依據(jù)上述制定的評估規(guī)則，即可實現(xiàn)天然氣管道斜接管強度的精準(zhǔn)評估，為天然氣穩(wěn)定傳輸提供助力。

2 實驗與結(jié)果分析

2.1 實驗對象概況

選取某段天然氣管道作為實驗對象，其長度約為8 700 km，內(nèi)部包含25個斜接管，并且斜接管應(yīng)用的時間長度存在著明顯的差異。管道采用的是國產(chǎn)X80管線鋼，內(nèi)部包含Mo、Cr、Nb、Ni、P、C等元素，具有較好的耐腐蝕性能，可以保障天然氣管道安全、經(jīng)濟、高效運行。

隨著天然氣供給需求的增加，實驗對象——天然氣管道面臨著較大的挑戰(zhàn)，對斜接管性能的要求更高，因此需要對斜接管強度進行實時監(jiān)測，符合所提方法應(yīng)用性能的測試需求。

2.2 實驗結(jié)果分析

以上述選取的實驗對象為依據(jù)，進行天然氣管道斜接管強度評估實驗。為凸顯本文所提方法的應(yīng)用性能，選取含等壁厚體積型缺陷油氣管道的剩余強度評價[8]與艦船內(nèi)腐蝕海水管路剩余強度預(yù)測模型及試驗驗證[9]作為對比方法1與2，并選取斜接管極限載荷計算誤差與斜接管強度評估結(jié)果作為評價指標(biāo)。

通過實驗獲得斜接管極限載荷計算誤差數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 斜接管極限載荷計算誤差數(shù)據(jù)圖

如圖3數(shù)據(jù)所示，相較于兩種對比方法，應(yīng)用本文方法獲得的斜接管極限載荷計算誤差數(shù)值更小，最小值為0.2%。

通過實驗獲得斜接管強度評估結(jié)果如表1所示。

表1 斜接管強度評估結(jié)果表

如表1內(nèi)容所示，應(yīng)用本文方法獲得的斜接管強度評估結(jié)果與實際情況保持一致，而對比方法1與2獲得的斜接管強度評估結(jié)果與實際情況存在較大偏差，說明應(yīng)用本文方法獲得的斜接管強度評估精度較高。

上述實驗數(shù)據(jù)顯示，與兩種對比方法相比較，應(yīng)用本文方法獲得的斜接管極限載荷計算誤差較小，斜接管強度評估結(jié)果與實際情況趨于一致，充分證實了本文方法應(yīng)用性能更好。

3 結(jié)語

天然氣是現(xiàn)今社會應(yīng)用極為廣泛的清潔能源之一，其主要通過管道進行運輸，管道是否安全直接關(guān)系天然氣企業(yè)的發(fā)展，故提出載荷作用下的天然氣管道斜接管強度評估方法研究。本文所提方法有效降低了斜接管極限載荷計算誤差，提升了斜接管強度評估精度，為天然氣管道管控提供了更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐，也為相關(guān)研究提供了一定的借鑒與參考。