集輸管道錨固墩推力計算方法探討與優化

陳俊文 劉力升 余 洋 呂 娜 湯曉勇

(1. 中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司；2. 中國石油天然氣股份公司西南油氣田分公司輸氣管理處 3. 中國石化銷售有限公司四川石油分公司)

集輸管道錨固墩推力計算方法探討與優化

陳俊文1劉力升2余 洋1呂 娜3湯曉勇1

(1. 中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司；2. 中國石油天然氣股份公司西南油氣田分公司輸氣管理處 3. 中國石化銷售有限公司四川石油分公司)

結合埋地管道軸向受力規律，分析并優化了錨固墩推力計算方法。結果表明：錨固墩推力計算應充分考慮全線錨固墩的設置情況；優化后的計算結果大幅降低了錨固墩推力值；軟件建模結果證實了優化后的公式計算結果的可靠性。

集輸管道 熱應力 熱位移 錨固墩 探討與優化

隨著油氣開發的不斷發展，井口的高溫、高壓工況將成為油氣田地面工程的常態[1]。雖然井口節流設備可在一定程度上降低介質的溫度和壓力，但受開發方案經濟性的制約，節流后的介質溫度和壓力仍處于較高水平[2]。因此，油氣集輸系統不可避免地面臨高溫、高壓工況帶來的諸多難題與挑戰，例如站內配管應力超標、埋地管道彎頭應力過大及絕緣接頭失效等問題[3～5]。目前，諸多學者針對在溫度和壓力影響下的鋼制管道應力和應變規律進行了深入的研究[6～10]，也提出了較為可行的管道位移和應力控制措施，保障了管道上下游設備、管道及其附件的安全。其中，在埋地管道上設置錨固墩是解決上述問題的有效手段。錨固墩依靠體積龐大的混凝土塊與土壤間的相互作用力對管道推力進行平衡，以約束管道位移，防止熱膨脹位移傳遞給其他設備、管件后誘發這類物件強度失效。目前，錨固墩推力計算研究已經取得了長足的進步[11～14]，且大量應用于實際工程，但較大的尺寸造成了較高昂的投資，有必要進一步討論通過優化錨固墩推力計算方法以減小尺寸。同時，鮮有研究報道關注錨固墩的推力分析與整個管道系統走向和錨固點分布的關系。雖然相關商業軟件簡化了分析過程，但計算結果也需用理論推導的公式進行復核。因此，有必要基于前人研究成果，結合管道強度和位移本質規律，進一步探討和優化錨固墩推力的計算方法，以達到設計合理、節省投資的目的。

筆者將基于管道系統內應力基本規律，結合錨固墩的實質作用，探討全管道系統下錨固墩推力的計算方法，并進一步提出優化錨固墩推力的手段與措施。

1 埋地管道系統運動規律

埋地鋼制管道軸向應力主要包括內壓應力(由內壓引起)、溫差應力(由操作溫度與安裝溫度差引起)、彎曲應力(由管道彎曲應力引起)和其他應力(由外力引起)。根據目前常用的埋地管道應力校核規范ASME B31.8-2014[15]和ASME B31.4-2016[16]，埋地管道的基本狀態可以分為錨固態和非錨固態，其實質在于管道是否存在由前述各種外因(如內壓、溫差、彎曲或外力)引起的位移或形變，可將在外因作用下依然保持原始位置或形態的管道定義為錨固態管道；將在外因作用下發生位移或形變的管道定義為非錨固態管道。其中，錨固態管道被外力嵌固，管道軸向應力(絕對值)最大，但對連接直管段的彎頭或設備幾乎無附加位移；非錨固態下，部分管道軸向應力(尤其是溫差應力)被管道以位移的形式釋放，但會對連接直管段的彎頭或設備產生附加位移，造成應力集中[17]。

運行過程中(溫差和內壓作用下)的埋地管道系統，往往同時存在錨固狀態和非錨固狀態。如圖1所示，由于管道存在出入土敷設、路由彎曲等情況，因此長直管道(含大曲率半徑的彈性敷設段)需要縱向彎頭、水平轉角彎頭等管道附件進行連接。由于彎頭存在角度變化，因此彎頭必然在兩端受管道推力作用而發生形變，故屬于非錨固部件。長直管道的兩端在管道軸向推力和土壤摩擦阻力的聯合作用下能夠軸向伸縮(軸向推力大于土壤摩擦阻力)，處于半活動狀態，屬于非錨固狀態，稱為活動端；但當活動端長度足夠時，土壤摩擦阻力足夠克服管道軸向推力，兩活動端之間的管道被虛擬錨固，無軸向位移。因此，無論管道走向如何布置，只要帶壓運行，或運行溫度與安裝溫度不同，管道均會產生軸向應力；管道轉角與出入土處的彎頭將破壞虛擬錨固狀態的延續性，這些管件必然承受管道收縮產生的附加位移。在運行過程中，埋地管道系統中的埋地彎頭和出入土端所連接的露空管件由于自身的形變和長直管道活動端的附加位移，會發生應力集中，造成這些管件應力水平偏高。一旦其應力水平高于規范允許最大值，將面臨強度失效的危險。因此，設置錨固墩的主要目的就是對管道活動端引起的位移進行限制，防止彎頭或其他主管道所連接的管件發生應力超標。

圖1 埋地管道系統管道錨固狀態分布示意圖

2 錨固墩推力計算

錨固墩一般設置在靠近過渡變形彎頭的直管段，以盡量增大錨固點兩側所受作用力的差值，降低彎頭應力水平。錨固墩的尺寸與錨固點所受總推力密切相關，且隨總推力的增大而增大，因此，合理分析并計算錨固點推力，可優化錨固墩尺寸、降低工程投資。

錨固點受力示意圖如圖2所示。

圖2 錨固點受力示意圖

由此可見，確定錨固點受力時，需綜合考慮管道軸向推力、土壤作用力等作用。由于壓力管道存在內壓，因此在設計靠近發球筒的錨固墩時，還需考慮管端效應對軸向力的貢獻。因此，錨固點的受力包括：土壤提供的作用力、管道提供的軸向推力和管端作用提供的軸向拉力。

2.1 土壤提供的作用力

錨固點活動側若是埋地彎頭，則理論上能夠提供反作用力：

FS=Q+f

(1)

式中FS——土壤對管段的反作用力，N；

f——土壤對管道的摩擦力，N；

Q——土壤對管端的支撐力，N。

一般地，靠彎頭段左側為彎頭附近的土壤，由于該段管道長度較短，故根據虎克定律可知，管道的伸長量較小，故與活動管段長度線性相關的土壤摩擦力亦較小；同時，土壤具有一定的壓縮性，在小形變下，彎頭處土壤反力均較小。因此，對于靠近彎頭設置的錨固點，土壤作用力可忽略。

2.2 管道提供的軸向推力

對于錨固點右側的長直管段，其形變被完全約束，故軸向應力σL可通過溫差應力、泊松效應等分項計算而得，即：

(2)

故錨固點所受推力FL可寫為：

(3)

式中D——管道外徑，mm；

E——管道彈性模量，MPa；

p——操作壓力，MPa；

t——管道壁厚，mm；

Δt——操作溫度與安裝溫度的差值，℃；

α——線膨脹因數，mm/(mm·℃)；

υ——材料泊松比，υ=0.3。

2.3 管端作用提供的軸向拉力

對于上游干線存在密封管端的錨固點(例如站內發球筒)來說，由于存在管道系統位移，因此需考慮內壓對管端作用，則管系的拉伸應力σp′為：

(4)

其拉力Fp′為：

(5)

因此，結合式(1)～(3)，可得錨固點所受合力F為：

(6)

式(5)和諸多文獻、專著介紹的錨固墩推力計算公式一致，說明推導過程合理。

同時，如前文所述，若埋地管道系統的多處彎頭應力水平較高，則需在埋地彎頭附近設置錨固墩，以保護彎頭強度，如圖3所示。圖中彎頭1～4均會由于直管段位移過大而造成應力超標，因此，除按照常規設置1#錨固墩外，還需考慮設置錨固墩對管道位移進行限制。由式(2)可知，管端拉力對錨固點的作用力是正貢獻的，且作用在1#錨固墩處。對于下游增設的2～4#錨固墩，由于管端效應的拉應力被1#錨固墩隔離，故不必再次考慮。因此，這種情況下，式(2)需改寫為：

(7)

圖3 埋地管道系統管道錨固點位置

同理，在某些情況下，若上游管道由于介質溫度較低而未設置錨固墩，但沿途接入溫度較高的井口來氣后，下游管道部分管段可能出現彎頭應力過高，如圖4所示。

圖4 埋地管道系統管道錨固點位置

圖4中，高溫井接入后，由介質溫度較高引起的管道位移導致彎頭5應力過高，需設置1#錨固墩。由于彎頭4、5之間的管道部分為自然錨固，阻斷了發球筒附近由管端效應產生的拉力對1#錨固墩的作用，因此，錨固墩受力計算式同式(6)。

由此可見，由于管道中錨固墩的受力影響因素不同，在考慮錨固墩的推力計算時，應對管端效應引起拉力的存在性進行分析與識別；在上游已有錨固墩或長直管道形成的自然錨固段后設置新的錨固墩時，不需要考慮管端效應對錨固墩推力的影響，以免造成計算推力過大，引起工程量和投資的增加。

3 算例分析

為進一步證實前文觀點和所推模型的合理性，在相同管道模型中，采用不同計算思路對不同位置的錨固墩進行推力計算和對比，并借助商用應力分析軟件CAESAR II對計算結果進行復核。管道模型如圖5所示。

圖5 埋地管道系統管道錨固點位置(算例)

除圖中標示的各段管道長度外，其余參數如下：

管道壁厚t16mm

管道外徑D406.4mm

最小屈服強度δs360MPa

彎頭1角度 45°

彎頭2角度 45°

彎頭3角度 90°

彎頭4角度 90°

彎頭5角度 60°

彎頭6角度 60°

露空高度 1 200mm

管頂埋深 1 500mm

泊松比υ0.3

彈性模量E210GPa

線膨脹系數α1.20×10-5mm/(mm·℃)

安裝溫度T120℃

運行溫度T260℃

操作壓力p14MPa

校核標準 ASME B31.8-2012 RESTRAINT

各錨固點推力計算結果列于表2。

表2 錨固墩推力計算結果

由此可見，1#錨固墩的公式計算值(2 676kN)和軟件模擬值(2 513kN)較為接近，且需要考慮管端效應對錨固點的受力貢獻；2～4#錨固墩由于均不考慮管端效應，因此計算結果遠小于考慮管端效應的計算值，軟件的模擬結果也證實了這3處錨固墩是不受管端拉力的。同時，2～4#錨固墩的受力計算結果也說明，合理考慮管端效應的作用對錨固墩合力的計算結果進行了較大的優化，也將直接減小錨固墩的施工尺寸，節約投資。

4 錨固墩推力深入優化的思路

前文對兩種錨固墩推力計算模型進行了分析與驗證，說明合理考慮管端效應對錨固力計算結果具有較大的影響。另外，基于錨固點受力組成，在滿足錨固墩保護的彎頭或設備應力水平合格的前提下，還可從以下幾方面優化并減小錨固墩推力：

a. 降低錨固剛度，允許小位移。根據式(3)可知，此種方式描述的錨固點所受管道軸向推力是基于完全錨固假設進行考慮的，錨固墩將完全承受限制熱膨脹而產生的軸向推力。若允許錨固墩發生小位移，則熱膨脹能夠得到一定程度的位移釋放，由此誘發的熱膨脹推力將有所降低；同時，錨固墩的軸向位移也將使活動側受到一定擠壓，在土壤剛性較大的情況下，能夠提供約束這部分軸向位移的軸向反力，這將進一步降低錨固點的合力。

b. 長直管道采用彈性敷設。管道能夠為錨固點施加推力的本質在于其兩端均被錨固墩固定，或另一端被虛擬錨固端固定。錨固端熱膨脹力與管道的錨固程度成反比，若在錨固點后的直管段中進行小角度、大曲率半徑的彈性敷設，可在一定程度上允許熱膨脹作用下的管道發生位移，降低熱膨脹應力。由于實際工程中，管道地形會發生天然起伏，為通過彈性敷設釋放熱膨脹力提供了天然條件，故通過這種方式降低錨固墩所受推力的思路值得進一步研究。需要指出的是，這種方式應特別注意避免管道發生側向屈曲和隆起屈曲。

c. 適當增大錨固點與彎頭的距離。錨固墩所受活動側提供的反作用力包括土壤對彎頭的反作用力和土壤對管道的摩擦力。若錨固點選擇在距離彎頭更遠的點設置，則彎頭與錨固點之間的直管道長度增加。由于此段直管道也具有熱膨脹性，但其一端為具有一定柔性的土壤，因此根據虎克定律，此段直管道會發生一定程度熱位移，并將此位移施加于彎頭，壓縮支撐彎頭的土壤。一方面，被壓縮的土壤會提供更大的反作用力；另一方面，長度增加的直管道也將受到圓周表面土壤提供的摩擦力。這兩種反力都將抵消部分錨固點對側的軸向推力，降低錨固點的合力。

d. 耦合溫降模型。式(3)中表示的熱膨脹力主要受安裝溫度和運行溫度的差值影響。在管道中，介質在流動過程中會與土壤環境進行換熱，溫度降低。因此，對于長直管道，其兩側錨固墩實際所受的軸向推力會受運行溫度的變化而有所不同，因此，錨固墩所受推力必然低于依照等溫度場計算的結果。

5 結論

5.1 在埋地管道中，若管道活動端的位移可能引起與之相連的彎頭、設備等應力超標，則可考慮設置錨固墩對熱位移進行隔離。

5.2 錨固墩推力計算中，軸向拉伸效應的存在性探討非常重要。

5.3 管道系統中需設置多個錨固墩時，可利用本文提出的基于軸向拉伸效應辨識的推力公式分別計算不同位置錨固墩點受力情況，其計算結果與商用軟件模擬結果誤差較小。

5.4 根據錨固推力組成，可進一步深入研究優化錨固點受力的計算方法。

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DiscussionandOptimizationofAnchorBlockPushingForceCalculationMethodforGatheringPipeline

CHEN Jun-wen1, LIU Li-sheng2, YU Yang1, LV Na3, TANG Xiao-yong1
(1.SouthwestCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.; 2.GasTransmissionDepartmentofCNPCSouthwestOilandGasBranchCompany; 3.SichuanPetroleumCompany,SinopecMarketingCo.,Ltd.)

Basing on the law of buried pipeline’s axial force to analyze and optimize the method of calculating the anchor block force to shows that, the setting of anchor block for the whole pipeline has to be considered when calculating the anchor block pushing force; the calculation results optimized can decrease anchor pushing force greatly and modeling results verified its reliability.

gathering pipeline, thermal stress, thermal displacement, anchor block, discussion and optimization

陳俊文(1987-)，工程師，從事油氣田地面工程設計與研究工作，chenjunw_sw@cnpc.com.cn。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)03-0296-06

2016-07-04，

2016-12-13)