管道應力在線實時監測在輸氣站場沉降治理中的應用

林濤(中海油珠海管道有限公司，廣東 珠海 519015)

0 引言

隨著國家對霧霾天氣和大氣污染治理力度的加強，天然氣在一次能源消費結構中將占據愈發重要的地位。天然氣管道和分輸站場的保障能力將是制約天然氣發展的關鍵因素。隨著國內天然氣長輸管道及站場的大量及投產建設，很多天然氣分輸站場均出現一定程度的不均勻沉降，由此帶來了安全隱患。現以國內某天然氣分輸站場的沉降治理為例，具體說明應力在線實時監測在沉降治理中的應用。

此分輸站于2014 年建成投產，由于該站場處于海岸平原，場地內較厚流塑淤泥及淤泥質土，該土層壓縮系數高，固結時間長。土層固結后產生不均勻沉降的不良地質作用。沉降對管道危害極大[1-3]，為保證供暖季的供氣要求，分輸站計劃將系統操作壓力由約7.2MPa 升至最高操作壓力8.9MPa。本文通過建立多維管道應力模型研究，如何在分輸站不停輸的情況下，通過對應力集中處的應力釋放，達到降低或消除工藝管線內部的應力值。確保工藝系統在最高操作壓力(8.9MPa)下的平穩安全運行。

1 高欄港分輸站地質概況及沉降現狀

1.1 分輸站地質情況

站場區域內的地基土為第四系人工填土、海相交互沉積的淤泥、淤泥質土、粉質粘土、中砂、粗砂及礫砂。上部堆填有厚度3.0～6.0m 左右的碎石、塊石，植被稀少。

1.2 沉降原因分析

站址所在區域為廣東珠三角地區，由于珠三角地區的水系發達，水網密集，且多為沖積平原，地質條件較差。豎直方向上各層土的物理性質和力學強度相差大，因此整個場地地基土均勻性較差。土質經分析主要為砂質粉土和粘性土，多屬欠固結狀態。該類軟土的特性是壓縮性大、地基強度低、固結變形持續時間長、滲透系數小，這樣的情況是沉降量就比較大。通過對以往沉降形式的研究，可分固結沉降、次固結沉降和瞬時沉降，三種沉降不是單獨發生是交錯發生，且在某一階段以某種沉降為主。且地下水位較高，受潮汐影響明顯。這是分輸站發生不均勻沉降的主要原因。

同時，設計中站場內僅在設備基礎下方施工單根管樁，工程管樁與工程管樁間距較大，管道下方沒有進行任何地基處理措施，上部回填土體隨季節氣候的變化而反復產生不均勻的升降，進而產生對設備管道的不均勻擠壓。

1.3 沉降案例

分輸站于2013 年9 月完成工藝安裝。2014 年3 月，分輸站內發現設備有起翹現象，進站管道收發球筒端部起翹，與基礎間距約為2.5cm 左右。2014 年11 月，分輸站內部分小口徑排污管線和放空管線有局部的沉降現象。2015 年8 月，分輸站調壓撬后端管線沉降，將調壓撬基座壓彎。同時，站內電纜、光纜等也出線不同程度的沉降。

2 三維應力分析原理及模型建立

建立模型采用比較成熟的CAESARII 應力分析軟件。對管道初始模型進行運算，輸入現場測量位置值，通過施加均布荷載方式模擬管道沉降量，判斷管道位移和應力是否滿足規范要求，是否滿足現場施工要求。如果管道應力滿足規范要求，繼續增大均布荷載值，直到應力超標，得出超標時的位移情況。當管道應力不滿足規范要求，那么就需要判斷通過增加管道支撐是否可行，來滿應力需要和規范要求；如果測算后還是不滿足，就要修改支撐位置、方式，重新對管道應力進行分析計算直至滿足條件。

2.1 應力評定準則

管道設備所受的靜力分析主要包括兩方面因素。首先是壓力荷載和持續荷載作用下的一次應力計算(防止塑性變形破壞)，其次是管道熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應力計算(防止疲勞破壞)，這是較為成熟的判斷因素。

分析應力評定準則采用ASME B31.3《輸氣和配氣管道系統》規范，其關于管道應力的要求如下，

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①持續載荷工況(SUS)

B31.3 規定持續應力為：

式中：SL 為縱向應力；SP 為內壓產生的軸向應力；SX 為除內壓和溫度外產生的軸向應力；SB 為由于重力和其它外部載荷引起的彎曲應力；S 為管道材料的最小屈服強度；T 為溫度折減系數。

②熱膨脹工況(EXP)

該狀況考慮溫度對管道的熱膨脹影響所產生的應力和載荷。

B31.3 規定的熱膨脹應力為：

2.2 模型建立

2.2.1 模型邊界條件確定

將管道的設計壓力作為確定管道計算壓力的依據，應考慮在最苛刻溫度下所對應的操作壓力或考慮不低于正常操作中預計的最高壓力。如無特殊規定應按以下條件選取：計算管系應力應選取設計壓力。在最大的出站溫度應同時對應設計壓力，將該條件設為最苛刻的系統壓力邊界條件。故本次應力分析采用站內調壓前壓力為9.2MPa，調壓后壓力為6.3MPa 進行分析。

日常操作中預計的最高(最低)溫度或在其它工況下的最苛刻溫度應低于管道的設計溫度，取其最高(最低)值。高欄港分輸站本次應力分析部分進站管道為埋地敷設，站內大部分管系為地上敷設，系統應力影響較大的介質溫度也應在設計考慮。本次應力分析模型溫度均選用35℃(最高月平均溫度)。

本次應力分析模型的材質分為三部分，站外管道材質為API 5L X70，站內主管道材質為API 5L X70 X60 X52，放空、排污管道材質為X60 和X52。

2.2.2 多維管道應力模型建立

利用CAESARII 軟件建模，將現場實測的沉降數據通過在模型中施加載荷的方式計算出分輸站閥組區應力集中點及內應力水平。

圖1 進站閥組區管道應力分析模型及主要節點

圖2 均布荷載后SUS工況管線模型主要節點應力表

將現階段設備管線所承受的應力值設定為基礎標準值σ(P)。后續治理目標將工藝系統內的內應力始終控制在基礎標準值之內，以此確保分輸站的安全運行。由于生產運行壓力始終維持在約7.0MPa。為保證分輸站在最高運行壓力8.9Mpa下正常安全運行，現需計算得到工藝系統壓力由7.0MPa 升至8.9MPa 基礎標準值的變化：

式中：σ 為設備管線材料所承受的基礎標準應力值； P 為系統操作壓力；△σ 為本次沉降治理的理論內應力補償值。

通過對分輸站工藝系統的建模，模擬運行壓力由現階段的實際操作壓力7.0MPa 升至設計的最高操作8.9MPa，具體參數如圖3。

為保障系統安全，考慮不均勻沉降對管道系統的影響。從理論角度看，應在理論應力的基礎上增加一定的安全余量作為補償應力，即目標內應力補償值。故取軸向目標內應力補償值為力37MPa，徑向目標內應力補償值47MPa。

圖3 模型節點圖

3 現場實施要點

沉降治理過程中，首次將管道在線應力觀測引入到沉降治理中，實時反饋治理過程的應力變化。并通過應力變化值反過來指導現場施工，根據應力變化實測值確定管道閥門標高調整的具體數值。做到了沉降治理全過程的應力有效監控。真正實現了在治理管道不均勻沉降時，“事前有目標，事中有監控，事后有跟蹤”的全過程監控。

本次以其中一條來氣管線為例來說明三維應力模型的應用情況及效果。同時，記錄閥門抽取墊鐵和系統升壓過程中的應力變化。

圖4 來氣入站關系測點貼片位置

以其中一個重點應力觀測點的應力變化曲線為例，詳見圖5、圖6。

圖5 空閥前，側面測點1應力變化曲線

圖6 放空閥前，頂部測點3應力變化曲線

通過現場的應力實時觀測數據反饋，工藝系統輸氣壓力由7.9MPa 逐步高到8.9MPa 后，主要應力監控點處的應力水平均控制在基礎標準值σ 之下，滿足前期的設計要求。

4 結論

根據建立的三維模型可以實現對沉降的管線進行有效的評估，并根據評估的結果采取最佳的防治措施，從而消除管道安全隱患，使“互聯互通，南氣北調”得以實現，為冬季保供保駕護航，具有巨大的社會效益。