埋地天然氣管道凍脹變形的數值分析與處理

蘇文獻++鄔曉敏

摘要： 隨著我國對天然氣需求量的逐年增長，輸氣量大幅提高，管線壓力不斷提升，導致部分天然氣門站或高壓調壓站的埋地管道出現了較嚴重的凍脹變形，造成了安全隱患.針對該現象，探究其產生原因.利用有限元軟件對該現象進行數值仿真模擬，分析埋地燃氣管道受凍脹影響的應力和位移分布情況，并提出一些相關技術性預防措施，如預熱、置換土、絕熱保溫、冷能回收等措施，為已建和新建的天然氣管道提供借鑒.

關鍵詞：

埋地管線； 凍脹變形； 應力分析

中圖分類號： TU 996文獻標志碼： A

Numerical Analysis and Treatment of the Frost Heave

Deformation for Buried Gas Pipelines

SU Wenxian， WU Xiaomin

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai

for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

With the increasing demand of natural gas in our country， both the capacity and pressure of pipelines increased significantly， which caused the throttling effect after pressure regulation in the gas gate station.A thick layer of frozen soil formed around the buried pipelines. When the frozen soil melted， the pipelines failed to reset completely. The pipeline uplift phenomenon became more obvious，resulting in the potential safety trouble. The actual engineering case was analyzed to find out the reasons.Numerical simulation study on the process by finite element software was performed to analyze the stress and displacement distribution of a buried gas pipeline caused by frost heave.Some technical treatment measures were put forward to provide references for the design of new gas station.

Keywords：

buried pipeline； frost heave deformation； stress analysis

隨著我國經濟發展方式的轉變和產業結構的調整，以煤為主、石油為輔的能源消費模式對環境造成了嚴重污染，制約了經濟的可持續發展.因此，作為清潔、優質、高效的能源，天然氣在能源結構中地位不斷提升，其產業在全球也進入了快速發展期，我國燃氣管道也逐漸從點狀、線狀向網狀演變[1].但因我國天然氣資源分布不均，西氣東輸工程于2003年10月正式投產進行資源的跨區域調配.近年來，我國天然氣消耗總量日益增長，輸氣量也隨之提高，管道全線壓力不斷提升，由此也產生了一系列工程問題.上海天然氣主干網工程某高壓站已安全運行了幾年，主要負責將上游高壓輸氣管道送來的天然氣進行過濾、計量、調壓（降壓）、加臭、輸配至城市天然氣管網中.但在2012年11月至2013年3月冬季期間該站部分管道發生了較嚴重的變形，埋管上方地基出現裂紋，管道脫離支座，產生了明顯的上浮跡象，埋下了安全隱患.故該站在2013年3月底被迫停止運行.本文將針對該現象并結合實地考察，探究其原因，提出相關技術處理措施.

3數值模擬結果與分析

3.1溫度場分析

因忽略了凍結過程土壤中的水分遷移，且凍結過程長達數月，故可將其近似看作穩態傳熱過程.通過三維熱實體單元Solid90對管土模型進行熱分析模擬計算，最終溫度場分布結果如圖2所示，并對埋地管道內表面至土體底部的溫度隨深度進行路徑化處理，結果如圖3所示.

由圖2、3可知，由于埋地深度在2 m左右，所以地表溫度變化對凍脹的影響很小.管道內氣體溫度維持在-7℃，通過管壁向周圍土壤傳遞熱量，導致埋地管道周圍一定范圍內的土壤受低溫影響，形成了局部低溫區域.隨著土

壤深度的增加，管內及地表溫度對土壤溫度的影響逐漸減小.

3.2熱力耦合分析

熱分析求解結束后，將熱與結構單元相互轉換，從而進行靜力分析.考慮到管道與土壤之間的相互摩擦，埋地管道外表面剛性目標面采用Targe170目標單元，土體為柔性接觸面，采用Conta173接觸單元，從而進行非線性接觸分析.管道各方向及總位移云圖如圖4所示.對埋地管道直線段進行路徑化處理，獲得位移隨距離的變化，結果如圖5所示.圖6、7分別為考慮和不考慮凍脹影響時管道的應力分布云圖.

由圖4、5可知，由于埋地彎管與直管處的凍脹差異性，埋地管道的橫向變形主要集中于彎管處，而埋地管道的直管處主要為軸向變形和因凍脹導致向上抬起變形，豎直方向最大位移約為35 mm，而埋地管道的總位移隨著管道距離的增大呈下降趨勢.在管內壓力和凍脹的共同作用下，由于埋地管道彎管處周圍土壤的抗拔阻力無法完全固定，導致直管處的位移會向彎管處富集，使得埋地管道彎管處產生較嚴重的橫向位移與彎曲變形，發生顯著的應力集中現象，容易使彎管處發生破壞，這對管道損害極大，因予以預防.

3.3應力評定

對上述管道最危險區域進行應力評定.應力

評定路徑上的薄膜應力為一次局部薄膜應力，其強度用1.5Sm進行限制，Sm為材料的許用應力強度.同時，路徑上還存在彎

曲應力，屬于二次應力，它與一次局部薄膜應力強度之和用3Sm限制.這兩個應力限制條件須同時滿足，才能確保管道不發生失效.

管道最大應力點的評定結果如表3所示.由表中可知，管道最大應力點集中在埋地道管彎管處，一次應力以局部薄膜應力為主，主要由平衡內壓所致，因管內壓力不大，管壁較厚，故不會發生強度破壞.二次應力為自限性應力，主要

由協調凍脹變形所致，凍脹效果越顯著，二次應力就越大.本文中，當燃氣管道受內壓和凍脹影響發生一定量的變形后，管道仍處于安全狀態，不會出現強度問題.但當凍土消融后，管道可能無法完全復位，多次往復，管道水平位置升高，必將對該站的安全、平穩運行埋下隱患.

4技術處理措施

4.1預加熱法

預熱法是目前國內外管道工程中解決凍脹最行之有效的方法，可以從根本上解決埋地管道凍脹問題.當天然氣進站溫度低于設定的警戒溫度時，

則需對其進行預熱后再流經節流閥.預熱裝置可采用管殼式熱交換器，熱源可采用燃燒天然氣的熱水鍋爐或蒸汽鍋爐.

4.2置換土法

將管道凍脹影響范圍內的土壤置換成排水性較好、凍脹性小的卵石或沙土，并在溝槽內增設防水層，防止周圍的水滲入其中.此外，在槽底部設有集水溝，將積水引入豎井，再使用抽水設備將水及時排出.對一些壓降大的管段，亦可采用涵洞式，將管道與周圍土層隔絕，從而避免土壤受管內低溫影響產生凍脹.但是目前該方法國內外尚無明確規范可循.

4.3絕熱保溫措施法

對節流后的埋地低溫管道采取絕熱保溫措施.管道防腐層檢漏合格后，可采用聚氨酯泡沫對管道和管匯進行絕熱保溫，并在保溫層外做相應的防水防腐措施.

4.4冷能回收法

使用透平膨脹機代替節流閥，從而對高壓天然氣進行降壓，將中壓低溫天然氣與冷媒乙二醇進行熱交換，用以回收富余的天然氣降壓后產生的冷能，存儲在蓄冷裝置中，供應給站內辦公樓制冷系統，最后將中壓常溫的天然氣輸配至城市中壓天然氣管網.

4.5其他措施

采取間歇輸氣方式或電伴熱方法；采用符合相關標準，材料強度、韌性好的鋼管；站內管道按照規定設置分段閥門；針對凍脹制定運行應急預案，通過嚴密觀察、準確測量將數據記錄在案，密切監測管道受凍脹的影響程度.

5結論

對公稱直徑較大的天然氣埋地管道進行設計時，應綜合考慮管材性能和周圍土壤物性，對易發生飽和的土壤類型應予以重點關注.對于經降壓分輸的埋地管道，在內壓和凍脹作用下，即使土壤發生了一定程度的凍脹導致管道發生較大的變形，管道還是安全的.但仍應采取相關針對性的技術預防措施，避免埋地管道受凍脹影響所產生的積累性變形，造成安全隱患和破壞.

參考文獻：

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