基于ANSYS和LS-DYNA軟件系統對石油管道交叉穿越處事故的研究

李 強，李春雨，楊 強

1中國石油管道局工程有限公司國際事業部，河北 廊坊

2中國石油管道局工程有限公司第二分公司，江蘇 徐州

1.引言

管道交叉穿越處是天然氣管道運輸系統中非常關鍵的部分。目前對管道穿越處下方天然氣管道破裂事故發生級聯效應的可能性研究較少。筆者通過尋找解決方案，以提高石油天然氣管道交叉穿越處的功能穩定性，并降低發生事故時產生級聯效應的概率。

2.地下管道穿越處的事故數值模擬

2.1.事故計算模型的建立

圖1為模型的對稱示意圖。為減少計算單元維度，根據對稱原理只計算了整個模型的1/4部分。針對土壤、管道內部介質(天然氣或石油)和計算區域頂部的空域，采用了多組分有限體積方法，通過歐拉變量描述連續介質。這種狀態下，計算單元與空間緊密相關，不會隨著時間的變化產生變形[1]。

初始階段，在管道中通過設定壓縮比來確定介質的初始壓力。天然氣在7.5 MPa壓力條件下的壓縮比為75.0，石油在6.0 MPa條件下的壓縮比為1.05，土壤環境上方空氣壓力為1個標準大氣壓。模型設定的參數：低合金機構鋼管道(16 Mn)直徑1420 mm，壁厚20 mm；管道相互以90?直角穿越，上部管道距地面深度為1 m；管道之間的距離為0.5 m；土壤環境為亞黏土；裂痕長度為24 m (根據對稱原理在模型中為12 m)。裂痕長度確定的前提是兩根焊接在一起的管道鋼管長度分別為12 m。

Figure 1.The schematic diagram of calculation model圖1.構建計算模型示意圖

2.2.相鄰管道負載條件下管道破裂尺寸和特點研究

在下部管道發生爆裂時，對上部管道的負載情況進行了計算研究。對下方管道從下部、上部和側面發生爆裂的3種情況進行了數值模擬。下方管道側面發生爆裂進行計算時，在不考慮一個對稱平面的前提下建立了一個新的計算模型。圖2為受爆裂影響上方管道和土壤環境的變形特點，可以看出下方和上方爆裂對管道產生的負載區別明顯。

Figure 2.The deformation characteristics of pipeline and soil in different positions of the rupture圖2.不同位置爆裂上方管道和土壤環境的變形特點圖

在管道上部或側面發生破裂的初始階段，壓縮的氣體會劇烈的穿透土壤沖向地表。在這種情況下，下方爆裂管道破損的部分受反作用力影響被壓在土壤中，因此不會直接對上方管道造成影響。在該模型中，從管道開始爆裂瞬間到上方管道爆裂漏出氣體流量平穩，整個過程持續時間僅0.3~0.5 s左右。

下方管道從底部遭到爆裂破壞時，管道爆裂區域在內部壓力作用下被展開，并在最初階段阻止氣體透過土壤沖出地表。在管道爆裂處會形成一個氣腔，只有當氣腔達到很大的規模時，氣體才會透過土壤從側面沖出。爆裂管道發生事故部分向上移動，當達到臨界變形時管道發生破損并脫離主管道。爆裂飛離的管道碎片通過擠壓小規模土壤夾層影響上部管道。氣體從下方管道脫離主管道區域通過氣腔穿過土壤沖向地表。在該環境中，沒有考慮外漏氣流對上方管道的直接影響。這種情況下，從事故發生到泄漏氣體流量平穩，整個過程持續時間是管道從上部和側面爆裂情況時間的2~4倍(約1~3 s左右)。

從破損角度看，危險區域長度不超過1個管道直徑的長度。管道下部區域在管道發生彎曲變形時出現褶皺現象。管道下部的破裂導致相鄰管道的位移明顯大于上部和側部破裂時的位移，塑性變形水平大致相同時，變形區域可達20~30個管道直徑。

3.結語

1)當多條地下管線互相穿越，其中一條管線在穿越點發生爆裂事故時，選擇了相應模型來計算其運動參數和應力應變狀態。

2)當下方管道的主裂紋處于管體上部、側面和下部時對上方管道形成的負載差異明顯。當爆裂發生于管體上部(側面)時，天然氣會劇烈地沖向地表，而管道之間不會有直接的相互接觸。當爆裂發生于管體下部時，事故開始階段管道爆裂處會展開并阻礙天然氣直接沖向地表，管道爆裂部分脫離管體后會通過土壤對上部管道產生巨大沖擊力。