長輸高陡坡段管道應力淺析

孫 藺 余漢成 李 沫 楊汗青 陳彰兵 王赤宇

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041；2.中國石油塔里木油田公司天然氣事業部，新疆 庫爾勒 841000

0 前言

長輸管道在山區段，受到地形、地貌的限制，不可避免出現不同長度，坡角約為30°～50°的高陡坡的情況。在該情況下，邊坡底部管道受力情況惡劣。當水壓試壓時，管道除了受土壤的壓力及約束外，還由于管線的自重和水的重量的影響可能造成管道局部應力超標。在管道建成運行后，受地質災害的影響，管道覆土及管道下方土壤被沖刷，可能造成局部管道懸空，只剩截水墻及擋土墻支撐管道的情況，因此需要對高陡坡段管道進行應力分析。本文采用CAESERⅡ應力分析軟件進行應力分析。該軟件是由美國COADE公司研發的用于壓力管道應力分析的專業軟件，在國際上得到廣泛應用。

1 建模

工程實例：某工程QCA265～QCA266號樁段為高陡坡段，整段管線長度約為220m，最陡處坡度約45°，管線設計壓力10MPa，管道規格為Φ1 016×12.8mm，材質為X80螺旋縫埋弧焊鋼管，水壓試壓為11MPa，輸送介質為符合GB 17820標準的凈化天然氣。運行溫度為 5～30 ℃，安裝溫度為 15 ℃［1］。

根據該段管道的施工圖設計建立應力分析模型［2］。

2 工況分析

2.1 安裝工況

安裝工況是模擬管道下溝后，未覆土時的工況。由于CAESERⅡ無法模擬土壤對管道的連續支撐，因此采用增加+Y方向支撐點的方式模擬土壤對管道的連續支撐。支撐點間距為2m。管溝挖成后，溝底需要回填細土墊層，管道與管溝底的摩擦系數按0.5考慮。若考慮下雨情況，管道與管溝的摩擦系數則應該適當減小，可取0.2。

由于管道在安裝時未充氣，因此分析時不考慮管道內壓。

經CAESERⅡ計算后，摩擦系數為0.5時，管道最大應力為管道許用應力的1.9%。管道變形量見表1。

表2 摩擦系數為0.2時管道最大位移量

當摩擦系數為0.2時，管道最大應力為管道許用應力的1.9%。管道變形量見表2。

無論從應力值還是管道變形量看，管道的安裝狀態是安全的。

在長輸管道的設計中常會人為地增加錨固點，若在高陡坡段起止點設置錨固點，經分析管道最大應力仍為管道許用應力的1.9%，與不設置錨固點時管段所受應力基本一致。錨固點各方向最大受力見表3。

表3 錨固點各方向最大受力

2.2 水壓試壓工況

水壓試壓工況是模擬管道下溝、覆土后進行水壓試壓時的工況。當埋地管道達到一定長度后，土壤對管道的約束力隨著管道長度的增加有一個累積效應，達到一定長度后起到了固定點的效果。根據CAESERⅡ的通常設置方法，一般設置60～90m的埋管長度以模擬累積固定點的效果。因此在建模時延長了高陡邊坡段起止點的長度，約100m。如果需要比較精確的模擬固定點長度，可以在建立埋地模型后，查看CAESERⅡ計算出的長度，再修改模型累積段的長度［3-4］。

經CAESERⅡ計算后，管道最大應力為管道許用應力的70.3%。可見本工程管道在水壓試壓時是安全的。

同樣分析在起始及結束點設置錨固點后水壓工況下的管道應力。

經應力分析軟件計算管道最大應力為管道許用應力的70.3%。由于軟件只考慮管道內的水重，不考慮溫度引起的二次應力，所以錨固點受力、管道位移都是0。

2.3 運行工況

運行工況是模擬管道正常運行時的工況。本文按照運行壓力為10MPa，運行溫度為5℃、30℃分別進行分析。運行工況下，管道應力主要是由于溫差產生的二次應力。經CAESERⅡ計算，當運行溫度為5℃時，管道最大應力為管道許用應力的71%。管道變形量見表4。

表4 運行工況下5℃時管道最大位移量

在運行工況下分析高陡坡管段在起止點設置錨固點后管道最大應力為管道許用應力的75.2%，比不設置錨固點稍有增大，但仍然滿足安全要求。管道最大位移量及錨固點受力見表5～6。

表5 運行工況下5℃時設置錨固點管道最大位移量

表6 運行工況下5℃時錨固點各方向最大受力

當運行溫度為30℃時，經分析后管道最大應力為管道許用應力的72.6%。管道變形量見表7。

表7 運行工況下30℃時管道最大位移量

同樣分析30℃的運行工況下，在高陡坡管段起止點設置錨固點時管道最大應力為管道許用應力的75.1%，比不設置錨固點稍有增大。管道最大位移及錨固點受力見表8～9。

表8 運行工況下30℃時設置錨固點管道最大位移量

表9 運行工況下30℃時錨固點各方向最大受力

可見本工程的管道在設計壓力下，低溫5℃、高溫30℃運行工況時，管道是安全的，由于錨固點限制了管道自身正常位移與伸縮反而增加了管道的應力。

同時試算安裝溫度為15℃，運行溫度為55℃時的極端工況，經計算管道最大應力為管道許用應力的79.4%，可見在此工況下，管道本身是安全的。

2.4 特殊運行工況

特殊運行工況是模擬管道建成運行后，受地質災害的影響，管道覆土及管道下方土壤被沖刷，造成局部管道懸空，只剩截水墻及擋土墻支撐管道的情況。建模按間隔15m設置一個支撐點的方式來模擬分析管道懸空，管道運行壓力仍為10MPa，運行溫度為5℃［5］。

經計算，5℃時管道最大應力為管道許用應力的72.8%。管道最大位移量見表10。

表10 特殊工況下5℃時管道最大位移量

當在高陡坡段管道起止點設置錨固點時，管道最大應力為管道許用應力的76.1%。比不設置錨固點稍有增大。管道最大位移量及錨固點受力見表11～12。

表11 特殊工況下5℃時設置錨固點管道最大位移量

表12 特殊工況下5℃時錨固點各方向最大受力

通過計算結果可以看出，特殊工況下，高陡坡段管道本身是安全的。

若發生錨固點被雨水沖刷，造成了錨固墩懸空變成了管道的負荷，對這種工況進行初步分析。錨固墩重量按30 t考慮，把錨固墩的重量按管道附件受力建模，經計算管道最大應力為管道許用應力的100.7%，這時管道已經發生了破壞，此時錨固墩重量已經成為破壞管道的主要原因。

3 結論

隨著科學技術的發展，油氣長輸管道設計工具的進步和更新，以前只能按照經驗進行設計的管道現在可利用軟件進行定量、定性分析，這無疑提高了油氣長輸管道的設計安全性，為生產運行提供了首要保證。

經過CAESERⅡ軟件建模分析后，本文中的天然氣長輸管道工程在高陡坡段除特殊運行工況外的其他各種工況下管道應力均未超過管道的許用應力，從管道應力的角度分析，管道是安全的，管道的變形量也在合理的范圍內。

當人為地增加錨固點后，管道的應力均有所增加，管道變形并無實質性的改善，特別在管道錨固墩懸空，成為管道負擔時，管道受力情況反而變得更加惡劣，因此在長輸管道的設計中應該慎重考慮錨固點的設置，如果確實因為特殊情況需要設置錨固點，也應經過應力分析來確定錨固點的位置及錨固點的受力。

［1］GB 50251-2003，輸氣管道工程設計規范［S］.GB 50251-2003，Code forDesign ofGasTransm ission Pipeline Engineering［S］.

［2］王新慶.基于管道應力分析的管道系統設計研究［J］.水務世界，2012，S2（8）：24-28.W ang Xinqing.Design Study of Pipeline System Based on StressAnalysis［J］.W ater Field，2012，S2（8）：24-28.

［3］唐永進.壓力管道應力分析（第二版）［M］.北京：中國石化出版社，2009.Tang Yongjin.StressAnalysisofPressure Pipeline（The Second Edition） ［M］.Beijing：China Petrochem ical Press Co.Ltd，2009.

［4］黃 坤，吳世娟，盧泓方，等.沿坡敷設輸氣管道應力分析［J］.天然氣與石油，2012，30（4）：1-4.Huang Kun，Wu Shijuan，Lu Hongfang，etal.Analysison Stress of Gas Pipeline Laid along Slope［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（4）：1-4.

［5］顧伯通，王兆福，李鐵軍，等.高陡邊坡管道水工保護的設計新方法［J］.天然氣與石油，2006，24（4）：27-28.Gu Botong，Wang Zhaofu，Li Tiejun，et al.New Design Method forW ater Reservation of Pipelinesin High and Steep Slope［J］.Natural Gasand Oil，2006，24（4）：27-28.