地基沉降下管道的有限元應(yīng)力分析

冷建成，周國強，張國威，吳澤民

（東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318） ①

地基沉降下管道的有限元應(yīng)力分析

冷建成，周國強，張國威，吳澤民

（東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）①

對受地基沉降影響的某膨脹壓縮機壓縮端進口管道進行靜力分析，并探討了不同地基沉降組合對其應(yīng)力分布的影響。通過對正常工況下管道的ANSYS有限元模擬，得出薄弱部位在管道下部彎曲處，最大Von Mises等效應(yīng)力為71.4MPa；通過對管道支墩處和管道與管道法蘭連接處等位置4種不同沉降組合下的應(yīng)力分析，得出管道支墩處單獨沉降對管道受力的影響較大，當下沉1.25mm時管道已處于危險狀態(tài)；不同步沉降對管道的破壞更為嚴重，沉降量與最大等效應(yīng)力呈凹形曲面關(guān)系。因此，針對敷設(shè)在軟土地基上的管道，應(yīng)控制不均勻沉降及過大均勻沉降的發(fā)生?；贏NSYS計算得到的高應(yīng)力區(qū)及對地基沉降敏感的受力位置即為實施管道在線監(jiān)測的重點部位。

管道；地基沉降；有限元；應(yīng)力

近年來，隨著石油天然氣工業(yè)的迅猛發(fā)展，壓力管道的應(yīng)用越來越廣泛。由于承載著高壓、高溫、易燃、易爆、劇毒或腐蝕介質(zhì)，工作環(huán)境十分惡劣，其安全問題顯得更加重要。誘發(fā)管道安全事故的因素有很多，例如腐蝕、地基不均勻沉降、地震及疲勞脆斷等［1－2］。為了防止管道泄漏或破裂等惡性事故的發(fā)生，在服役過程中對管線進行在線檢／監(jiān)測，并評價其安全狀況是非常必要的。

目前，大型管道的安全檢／監(jiān)測主要側(cè)重于腐蝕和泄漏問題。腐蝕檢測包括外檢測技術(shù)和內(nèi)檢測技術(shù)，外檢測技術(shù)常用的方法有PERSON、DCVG、PCM、CIPS等，內(nèi)檢測技術(shù)廣泛采用漏磁通檢測法和超聲波檢測法［3］。泄漏檢測從傳統(tǒng)的質(zhì)量／體積平衡法、統(tǒng)計決策法、瞬態(tài)模型法發(fā)展到現(xiàn)代的光纖監(jiān)測法、音波監(jiān)測法等［4］，這類方法主要基于管線的壓力、溫度、流量及震動等物理參數(shù)，屬于外部檢測法。敷設(shè)在軟土地基上的管道會產(chǎn)生各種沉降變形，按其沉降的方式可分為：均勻沉降和不均勻沉降。當發(fā)生地基沉降尤其是不均勻沉降時，管道就有可能發(fā)生裂縫、扭曲或傾斜［5］，這方面的研究尚不多見。

本文的目的正是針對敷設(shè)在海水回填土地基上的某終端地上管道，通過ANSYS軟件分析管道的變形應(yīng)力分布和沉降位置及大小對其受力的影響，找出管道受力的薄弱部位或應(yīng)力集中區(qū)及對地基沉降量敏感的位置，為實時監(jiān)測管道形變及確保其安全運行提供理論依據(jù)。

1 模型建立

膨脹壓縮機是空氣分離設(shè)備及天然氣液化分離設(shè)備和低溫粉碎設(shè)備等獲取冷量所必需的關(guān)鍵設(shè)備，是保證整套設(shè)備穩(wěn)定運行的心臟，其作用就是利用原料氣的壓力通過等熵膨脹來獲得低溫，以進行后續(xù)的深冷分離。所研究膨脹壓縮機壓縮端進口管道的基本參數(shù)如表1所示。

表1 膨脹壓縮機壓縮端進口管道基本參數(shù)

根據(jù)管道的結(jié)構(gòu)尺寸，利用ANSYS有限元軟件對其進行建模，材料性能常數(shù)為：彈性模量E＝ 206GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7.8×103kg／m3。采用Solid45三維實體單元進行有限元離散化，得到13 104個節(jié)點，6 480個單元，如圖1所示。

圖1 管道有限元離散模型

根據(jù)管道的實際受力特點，對管道施加重力及內(nèi)壓載荷；按照實際的約束情況對管道的相應(yīng)節(jié)點施加約束，如圖2所示：“位置2”通過墩支撐在地面上，“位置1”通過法蘭在地面上與另一管道剛性相連，可采用自由度耦合方法施加約束，同時由于地基沉降它們均會相應(yīng)發(fā)生沉降；“位置3”通過法蘭與機器剛性連接，由于機器所在地基不會下沉，所以“位置3”可看作全約束。

圖2 管道沉降位置模擬

經(jīng)過計算，得到工作載荷作用下管道的位移和應(yīng)力分布云圖，分別如圖3～4所示。

由圖3～4可以看出：最大位移出現(xiàn)在管道上部彎曲處，最大位移為0.125mm；最大Von Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在管道下部彎曲處，最大應(yīng)力為71.4 MPa。根據(jù)壓力管道常用鋼管的許用應(yīng)力規(guī)范，20＃鋼在≤150℃時的許用應(yīng)力［σ］＝127MPa［6］；對其進行應(yīng)力校核，σSMX＝71.4MPa≤［σ］，所以是安全的。

圖3 正常工況下管道位移云圖

圖4 正常工況下管道應(yīng)力云圖

2 有限元模擬

由于管道架空在軟土地基上，為研究地基沉降對其受力的影響及其程度，現(xiàn)考慮4種沉降組合方式。沉降方式Ⅰ：“位置1”不沉降，“位置2”沉降；沉降方式Ⅱ：“位置1”沉降，“位置2”不沉降；沉降方式Ⅲ：“位置1”和“位置2”同步沉降；沉降方式Ⅳ：“位置1”和“位置2”不同步沉降。

通過ANSYS仿真模擬，可以得到4種沉降方式下管道的應(yīng)力分布云圖。將前3種沉降方式下不同沉降量與管道所承受的最大Von Mises等效應(yīng)力擬合為曲線，如圖5所示。

圖5 3種沉降方式下沉降量與最大應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖5可知，“位置2”單獨下沉要比“位置1”單獨下沉對管道應(yīng)力集中的影響更大，當下沉1.25 mm時已超過允許的許用應(yīng)力值，管道處于危險臨界狀態(tài)。“位置1和2”在開始同步沉降很小位移時對管道的受力影響并不明顯，但當超過0.75mm后隨沉降量的增加而急劇增大，當達到1.75mm以后與“位置2”單獨沉降時管道所產(chǎn)生的最大Von Mises等效應(yīng)力幾乎相等。

事實上，前2種沉降方式可看作是不同步沉降，即沉降方式IV的特例。當同步均勻沉降位移很小時對管道的破壞相對“位置2”單獨沉降時要小，但當同步沉降量過大時，其破壞程度與“位置2”非同步沉降近似。

將“位置1和2”不同步沉降與前3種沉降方式綜合在一起，利用MATLAB軟件繪出管道所承受的最大Von Mises等效應(yīng)力與沉降量之間的關(guān)系曲面，如圖6所示。

圖6 沉降量與最大應(yīng)力關(guān)系

由圖6可見，“位置1和2”不同步沉降對管道的影響要遠大于同步沉降時所產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力；同時還需注意的是，“位置2”在沉降量達到1.5 mm之后，無論“位置1”是否沉降或不管沉降量有多大，管道最大應(yīng)力均已超過強度允許值，應(yīng)引起重視。

3 結(jié)論

1） 基于ANSYS的靜力分析可以較精確地模擬出管道的應(yīng)力和變形分布規(guī)律，確定管道在重力及工作內(nèi)壓作用下的受力薄弱部位，有助于提高管道的設(shè)計水平與質(zhì)量。

2） 管道支墩處單獨下沉要比管道與管道法蘭相連處單獨下沉對管道受力的危害更大，應(yīng)為重點監(jiān)測部位。

3） 沉降量與最大Von Mises等效應(yīng)力近似成折線關(guān)系，地基不均勻沉降要比均勻沉降對管道產(chǎn)生的影響嚴重得多，為管道主要破壞因素。因此針對敷設(shè)在軟土地基上的管道，應(yīng)避免不均勻沉降及過大均勻沉降的發(fā)生。

4） 通過對不同沉降組合下管道的應(yīng)力分析，可有效確定對地基沉降受力敏感的區(qū)域，為實時監(jiān)測管道應(yīng)力重點部位提供理論依據(jù)。

［1］ 顧振榮.地基沉降對燃氣管道的損害及對策［J］.山西建筑，2008，34（15）：85－86.

［2］ 魏存祥，陳次昌，杜景水，等.蘭成渝輸油站彎管震后金屬磁記憶檢測［J］.石油礦場機械，2010，39（5）：65－67.

［3］ 馬新軍，姜萬軍.長輸管道腐蝕及檢測技術(shù) ［J］.石油化工腐蝕與防護，2009，26（6）：18－20.

［4］ 李玉星，彭紅偉，唐建峰，等.天然氣長輸管道泄漏檢測方案對比［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（9）：100－104.

［5］ Limura S.Simplified mechanical model for evaluating stress in pipeline subject to settlement［J］.Construction and Building Materials，2004，18（6）：469－479.

［6］ 王樹立，趙會軍.輸氣管道設(shè)計與管理 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

Finite Element Stress Analysis of Pipeline at Ground Settlement

LENG Jian－cheng，ZHOU Guo－qiang，ZHANG Guo－wei，WU Ze－min（College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

Static analysis of the entrance pipe at compressor end in an expansion compressor affected by ground settlement was presented，and the effect of different ground settlement modes on stress distributions of the pipe was discussed.Based on ANSYS finite element simulation on the pipe under regular operation conditions，the weak stress part was at the lower bending zone and the maximum Von Mises equivalent stress was 71.4MPa.Through the stress analysis on 4kinds of different ground settlement modes including the rest pier and the flange connection part between the pipe and another one，the results showed that the rest pier settlement alone had greater influence on the pipe stress distribution，and the pipe was in danger when the sedimentation value 1.25mm was reached.While the asynchronous settlement was more dangerous than the destructive action of even settlement，and the relationship between the sedimentation value and the maximum equivalent stress was analogous to a concave surface.Therefore，the uneven settlement and excessive even settlement should be avoided for the pipelines on soft soil foundation，and the high stress area and the forced location sensitive to ground settlement computed by ANSYS software were main monitoring parts online.

pipeline；ground settlement；finite element analysis；stress

1001－3482（2012）04－0080－04

TE9

A

2011－10－28

國家自然科學(xué)基金資助項目（11072056）

冷建成（1977－），男，河南信陽人，副教授，主要從事磁記憶檢測技術(shù)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷診斷研究，E－mail：lbyljc＠163.com。