高壓長輸天然氣管道站場管線全地上敷設的應力分析

中國石油天然氣管道工程有限公司

目前我國在役管道站場的管線敷設方式主要為混合式敷設，即主管道地上敷設，輔助管道埋地敷設。管線混合式敷設通常站場美觀、巡檢方便且工程造價低。但是隨著服役時間的增加，埋地管道的不均勻沉降將會造成管道的彎曲變形甚至破裂，其受力情況相對于地面普通管道更加復雜[1]。為此，本文以某長輸天然氣管道項目站場工藝管道為研究對象，提出了基于節點應力分析的站場管線全地上敷設法，通過對可能存在較大應力的主管線和強烈振動的放空管線的應力、受力、位移等指標進行模擬計算，確定管線的安裝與約束方案，驗證工藝管道全地上敷設方案的可行性，為高壓長輸天然氣管道站場管線敷設提供了新的方法。

1 全地上敷設管道應力分析要點

管道在內壓、持續外載以及熱脹、冷縮等因素作用下，其最大應力往往超過材料的屈服極限[2]。因此全地上敷設的天然氣管道的方案分析主要涉及以下幾個方面：

（1）各類載荷來源。主要載荷有一次應力和二次應力載荷。一次應力載荷指管道內外壓力、自身重力及壓力脈沖對管道的作用，以及因風力、地震等外部因素瞬間承受的載荷。二次應力載荷指管道運行熱膨脹、冷緊或管道設備位移產生的應力載荷[3]。

（2）靜態分析。為防止管道出現塑性變形、管道疲勞損壞，必須進行內壓荷載與持續荷載的一次應力分析計算、冷熱膨脹位移的二次應力分析計算，以及管道系統與相關設備相互作用的受力分析，才能保證管道系統與設備的安全運行[4]。

（3）動態分析。當管道中流體介質流動不穩定時，若其擾動頻率達到或接近管系的固有頻率，則會引起管道共振[5]。氣體高速流動時會對自由管道產生作用力，現象為噪聲、振動甚至擺動，主要原因為流體與管道做高速相對運動時對管道的摩擦和沖擊，需優化配管設計和合理安裝管道防震支架，盡量避免管道共振[6]。

2 全地上敷設管道應力分析理論

長輸管道中的輸油或輸氣管道分別執行GB 50253《輸油管道工程設計規范》、《輸氣管道工程設計規范》。國外常用ASME 規范主要有：①ASME B31.3，工藝管道；②ASME B31.1，動力管道；③ASME B31.4，輸油管道；④ASME B31.8，輸氣管道。目前管道應力分析所依據的標準主要是ASME B31 系列[7]。天然氣站場內的工藝管道應力可以根據ASME B31.3—2016 工藝管道進行。該規范要求由質量、內壓和其他持續載荷所產生的縱向應力之和SL不超過在操作溫度下材料的基本許用應力Sh。ASME B31.3 在1985 年5 月8 日的釋義4-10 中，要求計算縱向應力時考慮軸向力的作用。一般認為管道縱向應力由附加軸向外力、彎矩和內壓引起。

2.1 一次應力校核

對于一次應力校核，ASME B31.3—2016 版的校核公式為

式中：SL為質量、內壓和其他持續載荷所產生的縱向應力之和，MPa；Sa為內壓引起的軸向應力，MPa；Sb為質量、內壓和其他持續載荷所產生的彎曲應力，MPa；St為質量、內壓和其他持續載荷所產生的剪切（扭轉）應力，MPa；Sh為操作工況下相應溫度所對應的許用應力，MPa。

2.2 二次應力校核

對于二次應力校核，ASME B31.3—2016 版的校核公式為

式中：SE為彈性應力，MPa；Sa為位移應變產生的組合軸向應力，MPa；Sb為位移應變產生的組合彎曲應力，MPa；St為位移應變產生的組合扭轉應力，MPa；SA為許用彈性應力，MPa。

2.3 天然氣對管道的推力校核

天然氣在站內管道內正常輸送時流速較低（最大不超過20 m/s），因此無需考慮天然氣輸送過程對管道的影響，但應考慮天然氣放空時管內局部流速過大導致瞬態力的影響。對于閉式排放系統而言，需要對其配管系統隨時間變化的復雜情況進行分析，以便獲得反作用力和彎矩的實際值。可利用API 520—2015 Sizing，Selection and Installation of Pressure-Relieving Devices 5.8.2.1 節公式估算放空時的最大瞬時力。

式中：F為管道不平衡力，N；W為氣體流量，kg/s；k為比熱容比T為進口溫度，K；M為流體介質相對分子質量；A為排放點的出口面積，mm2；P為排放點的靜壓，bar(G)。

3 長輸天然氣站場管道應力校核方法

CAESARⅡ是在PC 機上運行的節點應力分析軟件程序。CAESARⅡ不但可以根據ASME B31 系列以及其他國際標準進行應力校核，還可以按照WRC、API、NEMA 標準進行靜設備和動設備的受力校核，因此廣泛用于石油、化工等行業。

CAESARⅡ管道應力計算軟件主要應用于桿單元模型計算[8]。通過使用簡單梁單元及受力關系的模型，并定義作用在系統中的載荷，生成系統中用位移、載荷、應力表示的結果[9]。梁單元的特征是：無限細的桿單元，全部行為靠端點位移決定，彎曲變形是主要的，最終將管道模型轉化為力學模型。

CAESARⅡ計算應力結果中有彎曲應力、軸向應力和扭轉應力，然后將規范應力與許用應力進行比較，管道校核許用應力采用的是管材許用應力值的90%[10]。

4 可行性設計方案實例

4.1 工程概況及安裝方案

該高壓長輸天然氣管道項目各站場均位于廣東地區，地下水位較高。為盡量避免埋地管線腐蝕嚴重的問題，從方便運行維護的角度出發，該項目更加適合采用全地上低墩敷設的安裝方案。以該項目中的某分輸清管站為例，場站內的工藝管道采用全地上敷設的方式，工藝安裝方案平面布置如圖1所示。

圖1 某分輸清管站平面布置Fig.1 Plan layout of an off load and pigging station

該分輸清管站包括清管器收發裝置2 座、臥式過濾分離器2 座、計量橇3 座、調壓橇7 座、自用氣橇1 座、地上臥式排污罐1 座。主要安裝方案如下：①進出站、越站、線路放空管線埋地敷設；②放空、排污管線延設備回路匯集至過濾器出口匯管形成管廊，地上低墩敷設；③放空、排污管線采用管卡和管托的支撐和固定方式。

4.2 工程建模參數

建模參數主要包括：管道設計參數、管道參數和土壤參數。管道參數設置過程中，溫度選取遵循以下原則：①安裝溫度選擇站場所在地歷年來最冷月平均最低氣溫；②埋地管線計算溫度選擇介質的最高運行溫度；③地上管線計算溫度需要考慮停輸時地上管線受太陽輻射影響。具體管道參數取值如表1、表2 所示，土壤參數取值如表3 所示。

表1 輸氣管道設計參數Tab.1 Gas transmission pileline design parameters

表2 管道參數Tab.2 Pipe parameters

表3 土壤參數Tab.3 Soil parameters

4.3 應力荷載工況

靜力分析需要對站場內的全地上敷設的輸氣管道在運行狀態下的應力和位移分布情況進行分析，通常需要對操作工況、持續工況、膨脹工況、水試壓工況、偶然工況進行分析，應力分析模型如圖2～圖7 所示，各應力、工況符號的簡稱如表4、表5 所示，各工況組合簡稱如表6 所示。

圖2 分輸清管站應力分析模型Fig.2 Stress analysis model of off load and pigging station

表4 應力符號與意義Tab.4 Symbols and significance of stress

圖3 局部應力模型—收發球筒Fig.3 Local stress model—pig launcher& receiver

圖4 局部應力模型—收發球筒（局部）Fig.4 Local stress model—pig launcher& receiver

圖5 局部應力模型—過濾分離器Fig.5 Local stress model—Filter separator

圖6 局部應力模型—放空閥BDV1213Fig.6 Local stress model—vent valve BDV1213

圖7 局部應力模型—排污罐Fig.7 Local stress model—sewage tank

表5 工況符號與意義Tab.5 Symbols and significance of working conditions

表6 工況組合簡稱Tab.6 Abbreviation of working condition combination

4.4 分析結果

采用CAESAR Ⅱ軟件對該分輸清管站站場內的全地上敷設管道設計方案進行載荷工況分析、輸出管道應力和最大位移情況分析。

4.4.1 應力分析

全地上敷設管道最大應力計算結果（前三名）及應力校核情況如表7 所示。

表7 應力計算結果Tab.7 Stress calculation results

由表7 可知，最大應力分別出現在持續工況、熱膨脹工況及水試壓工況，應力節點分別為收發球筒排污管、管廊匯管。

4.4.2 位移分析

各工況下的該分輸清管站站場內的全地上敷設管道位移量分析主要包括：橫向位移、縱向位移和軸向位移。3 個方向的最大位移量如表8 所示。

表8 x、y、z 方向上的管道最大位移Tab.8 Maximum displacement of pipeline in x、y、z direction

由表8 可知，最大位移出現在操作工況，應力節點分別為匯管、出入土主管線、清管器收發裝置。

最終通過軟件計算分析，該分輸清管站輸氣管道系統的應力和位移滿足相關要求，錨固處、設備約束處和管道約束處的應力為相應的基礎設計提供了準確載荷數據，在保證管道和設備安全運行的同時提供了合理的設計依據。

5 綜合打分法評價全地上敷設方案

全地上敷設方案與傳統埋地方案優缺點對比見表9。

從施工難度、防腐與陰極保護效果、巡檢和維搶修方便性、工程造價5 個方面進行分析可知，天然氣站場管道全地上敷設的方案較傳統的管道安裝方案總體上具有優勢。

表9 全地上敷設方案與傳統埋地方案優缺點對比Tab.9 Comparison of advantages and disadvantages between above-ground laying scheme and traditional geographical scheme

6 結論

使用CAESARⅡ軟件進行管道應力計算和分析，能夠得到管段應力、位移、錨固墩、設備墩及各管墩受力的精確數據，結果可靠，不但可以保證管道系統的安全運行，還可以在此基礎上減少不必要的工程投資，實現精細化設計。

通過對全地上敷設的天然氣站場工藝設備、管道進行合理的全地上安裝方案設計以及合理的管道支吊架選用，配合CAESARⅡ軟件進行應力分析模型搭建和計算，證明高壓長輸天然氣管道站場管道全地上敷設的方案是可行的。與傳統的地上+埋地安裝方案進行多方面對比，全地上敷設方案均具有一定優勢，對類似項目的設計、建設具有一定的參考意義。