油田跨越段管道高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析研究

曹俊 豆龍龍 韓彥忠 鄧康 馬衛(wèi)鋒

1北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院

2長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠

3中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司

在管道敷設(shè)過(guò)程中，常有管道跨越河流、峽谷等情況。由于管道多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，監(jiān)控、防護(hù)不及時(shí)，可能導(dǎo)致管道被破壞，造成不必要的損失。一旦管道發(fā)生泄漏，輸送介質(zhì)污染河流、土壤，將對(duì)下游及周邊居民的生活產(chǎn)生極大影響。目前管道設(shè)計(jì)方案比選主要是基于管道工程量、施工難易和投資多少，運(yùn)行維護(hù)多采用定性描述。同時(shí)，集輸管線(xiàn)未結(jié)合管線(xiàn)應(yīng)力分析開(kāi)展復(fù)雜地形情況下風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估，無(wú)法掌握不利地形管線(xiàn)應(yīng)力分布和高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。為此，針對(duì)油氣管道路由設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合管線(xiàn)應(yīng)力分析開(kāi)展復(fù)雜地形的高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)跨越段管道系統(tǒng)的計(jì)算分析方面進(jìn)行了研究，主要針對(duì)跨越段管道在靜載荷、風(fēng)力[1-2]、地震[3-4]和土體沉降[5-7]等因素作用下的受力管道變形的情況。如SORENSEN 等[8]通過(guò)研究地震波對(duì)跨越段管道影響，獲取地震波對(duì)跨越管道系統(tǒng)應(yīng)力影響規(guī)律。王召明等[9]結(jié)合有限元和力學(xué)性能試驗(yàn)方法，分析了桁架跨越結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的極限承載能力與失效模式。HUANG 等[10]采用有限元方法分析了振動(dòng)對(duì)懸索橋的影響規(guī)律，提出了準(zhǔn)靜態(tài)抖振力模型。呂亦瑭[11]在研究瀾滄跨越工程風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)跨越段管線(xiàn)受地震影響較大，地震危害主要是由于斷層錯(cuò)動(dòng)、地裂和滑坡等土層波動(dòng)變形所致，結(jié)果表明管道在大彎管、出土端的應(yīng)力較大。李智帥[12]采用有限元方法針對(duì)幾種典型形式的跨域管道進(jìn)行了應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)跨越管道在靠近兩段固定墩的地方為應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)。但目前跨越段管道很少涉及到兩側(cè)邊坡上管道應(yīng)力分析，據(jù)油田相關(guān)失效案例可知，邊坡上管道同樣存在失效案例，從而引發(fā)漏油事件。因此，針對(duì)跨越段邊坡上管道高應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行分析十分重要，可為油田日常保養(yǎng)及維護(hù)操作提供重點(diǎn)方向。

1 跨越段集輸管道問(wèn)題分析

黃土高原油田地形復(fù)雜，如長(zhǎng)慶油田地處鄂爾多斯盆地，跨越西北陜、甘、寧、晉、蒙五省、自治區(qū)，自然氣候惡劣，地形復(fù)雜，跨越管線(xiàn)多[13]。通過(guò)對(duì)油田河流跨越段輸油管道現(xiàn)狀調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)：①河流跨越段輸油管線(xiàn)缺少風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估；②地形地貌及土質(zhì)地理?xiàng)l件惡劣，溝壑縱橫，易發(fā)生坍塌、滑坡等地災(zāi)；③跨越段兩側(cè)邊坡上管道由于雨水沖刷，部分管體已裸露。

根據(jù)GB/T 50459-2017《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，關(guān)于管道跨越位置的選擇主要涉及到與現(xiàn)有交通道路、城市規(guī)劃、環(huán)境敏感區(qū)、地災(zāi)易發(fā)生區(qū)和河道易侵灘沖淤處等相互影響，說(shuō)明跨越管道易受環(huán)境干擾，一旦發(fā)生失效，危害和影響很大。地形復(fù)雜使得跨域段管道應(yīng)力高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)量增多，地災(zāi)易打破跨越管道系統(tǒng)的應(yīng)力平衡，加劇轉(zhuǎn)角和彎管處的應(yīng)力集中?？缭蕉蝺蓚?cè)邊坡頂管道如沒(méi)有土壤的約束與牽制，同樣也會(huì)造成邊坡頂管道的應(yīng)力集中加劇，增加失效風(fēng)險(xiǎn)。

2 跨越段集輸管道有限元模型

選擇一處典型跨越段管道作為有限元模擬對(duì)象，如圖1 所示。管道規(guī)格為Ф89 mm×4.5 mm，外輸壓力1.16MPa，材質(zhì)20#鋼，土壤密度1790kg/m3，彈性模量15 MPa，泊松比0.3?？缭焦艿纼蛇吷狡鲁叽缛鐖D2 所示，中間跨越39 m 寬河流。采用ABAQUS有限元軟件對(duì)跨越段管道靜態(tài)載荷進(jìn)行模擬，主要考慮土體移動(dòng)和管道及介質(zhì)自重的載荷影響。

圖2 跨越段管道及山坡尺寸Fig.2 Size of crossing pipeline and hillside

根據(jù)API SPEC 5L 標(biāo)準(zhǔn)給定的管道最小屈服強(qiáng)度為245 MPa，有限元網(wǎng)格選用B31 二節(jié)點(diǎn)線(xiàn)性桿單元，對(duì)垂直于山坡土壤方向和垂直于桁架方向的管道位移進(jìn)行約束。跨越段管道有限元模型如圖3所示。

圖3 跨越段管道有限元模型Fig.3 Finite element model of crossing pipeline

3 跨越段集輸管道應(yīng)力檢測(cè)

為了對(duì)跨越段管道有限元模型計(jì)算的應(yīng)力分布進(jìn)行驗(yàn)證分析，采用便攜式超聲應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)跨越段管道關(guān)鍵位置進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，超聲波應(yīng)力測(cè)試儀是基于超聲波聲彈性理論，利用被測(cè)對(duì)象中超聲波速與應(yīng)力之間存在的固有關(guān)系并將這種特性轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)表征的力學(xué)定量檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)結(jié)果用于驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，選取了圖4所示的檢測(cè)位置。超聲應(yīng)力檢測(cè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為Q/SY 05009—2016《油氣管道焊縫應(yīng)力超聲檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》。G1、G2和G7 為山坡頂部位置，G3 和G6 為山坡底部位置，G4和G5為桁架橋上位置。每個(gè)點(diǎn)測(cè)量連續(xù)測(cè)量3次以上，觀測(cè)測(cè)量結(jié)果是否穩(wěn)定。若出現(xiàn)波動(dòng)明顯，則檢查探頭與管壁之間的耦合狀態(tài)是否良好。單點(diǎn)連續(xù)3次測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠，視為單點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)試有效?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)際情況如圖5所示。

圖4 超聲應(yīng)力檢測(cè)位置Fig.4 Position of ultrasonic stress testing

圖5 超聲應(yīng)力檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Site of ultrasonic stress testing

4 跨越段集輸管道高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

對(duì)隴東華池縣處典型跨越段管道的自重、山體移動(dòng)、自重和山體移動(dòng)疊加作用影響下的跨越段管道進(jìn)行軸向應(yīng)力分析，如圖6～圖8所示。

圖6 僅考慮重力影響的跨越段管道軸向應(yīng)力有限元模擬云圖Fig.6 Axial stress finite element simulation cloud map of crossing pipelines only considering the effect of gravity

由圖6可知，考慮管體自重影響下的跨越段管道在4 處彎頭轉(zhuǎn)角處，即山頂2 處和山腳2 處轉(zhuǎn)角處存在應(yīng)力集中，且山頂2 處的應(yīng)力集中程度較大，最大軸向應(yīng)力為8.9 MPa。由圖7 可知，考慮土體向下移動(dòng)影響下（假設(shè)造成管體移動(dòng)5 mm）的跨越段管道同樣在4 處彎頭轉(zhuǎn)角處存在應(yīng)力集中，但土體移動(dòng)造成了跨越段管道山腳彎頭轉(zhuǎn)角的應(yīng)力集中程度大于山頂彎頭轉(zhuǎn)角處，最大軸向應(yīng)力為73.9 MPa。由圖8 可知，考慮管體自重與土體移動(dòng)疊加作用下跨越段管道應(yīng)力集中程度情況與圖7類(lèi)似，最大軸向應(yīng)力為74.2 MPa。因此，土體移動(dòng)對(duì)跨越段管道應(yīng)力集中程度的影響大于管體自重的影響。

圖7 僅考慮土體移動(dòng)的跨越段管道軸向應(yīng)力有限元模擬云圖Fig.7 Axial stress finite element simulation cloud map of crossing pipelines only considering the effect of soil movement

圖8 自重與土體移動(dòng)疊加作用下跨越段管道軸向應(yīng)力有限元模擬云圖Fig.8 Axialstressfiniteelementsimulationcloudmapofcrossingpipelinesconsideringthecombiningeffectofgravityandsoil movement

對(duì)跨越段管道7處位置進(jìn)行超聲應(yīng)力檢測(cè)，并和自重與土體移動(dòng)疊加作用下跨越段管道有限元模擬的7 處結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析（圖9），可以發(fā)現(xiàn)G3和G6 山腳處應(yīng)力集中最大，G1、G2 和G7 山頂處的應(yīng)力集中程度次之，G4和G5桁架上的軸向應(yīng)力最小。由應(yīng)力檢測(cè)與有限元模擬的結(jié)果對(duì)比可知，應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果吻合性較好，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。從檢測(cè)結(jié)果可以反推，隴東華池縣典型跨越段可能存在土體移動(dòng)。由于黃土山坡受雨水影響較大，土體隨著山坡表面土體偏移造成了山腳處應(yīng)力集中較大。

圖9 跨越段管道超聲應(yīng)力檢測(cè)與有限元模擬對(duì)比結(jié)果Fig.9 Comparison results of ultrasonic stress testing and finite element simulation for crossing pipelines

隴東和陜北的油田跨越段管道大多處于黃土高原，黃土高原的土體疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，極易滲水，黃土中黏土、易溶性鹽類(lèi)、石膏、碳酸鹽等容易固結(jié)成聚積體，使黃土具有較高強(qiáng)度，但遇水則會(huì)溶解與分散，在受雨水浸潤(rùn)后在自重和上部壓力的作用下，易發(fā)生濕陷，同時(shí)大孔隙也成為土體中水體和細(xì)粒物質(zhì)遷移通道，使黃土易發(fā)生潛蝕[14-15]。受雨水影響，土體易發(fā)生濕陷和移動(dòng)可能是黃土高原的普遍現(xiàn)象，而隴東與陜北高原地區(qū)油田管道跨越段數(shù)量較多。因此，隴東與陜北黃土高原地區(qū)跨越段防護(hù)重點(diǎn)應(yīng)是山腳處彎頭轉(zhuǎn)角處和山頂彎頭轉(zhuǎn)角處，如有可能應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)措施，進(jìn)行加固防護(hù)，保證跨越段管道運(yùn)行安全。

5 結(jié)論

針對(duì)油田跨越段管道開(kāi)展了高應(yīng)力點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)分析研究，采用有限元模擬方法研究了管體及介質(zhì)自重、土體移動(dòng)和兩者疊加作用下的跨越段管道應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分布，進(jìn)而采用超聲應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)跨越段管道應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分布進(jìn)行驗(yàn)證分析，得出以下結(jié)論：

（1）土體移動(dòng)對(duì)跨越段管道應(yīng)力集中程度的影響大于管體及介質(zhì)自重的影響。

（2）跨越段管道山頂和山腳轉(zhuǎn)角處為應(yīng)力集中點(diǎn)，管體及介質(zhì)自重影響下的跨越段管道山頂轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中程度大于山腳轉(zhuǎn)角處，土體移動(dòng)作用下的跨越段管道山腳轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中程度大于山頂轉(zhuǎn)角處。

（3）超聲應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了跨越段管道有限元模型的正確性。