埋地?zé)嵊凸艿缽澒艿臒釕?yīng)力分析

關(guān)義 王博 王衛(wèi)強(qiáng)

摘 ? ? ?要：在壓力載荷與溫度載荷的雙重作用下，埋地?zé)嵊凸艿罉O易發(fā)生爆管、泄漏等安全事故，在彎管處尤為突出?；跓?力耦合分析系統(tǒng)，對彎管的熱應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，通過改變內(nèi)壓載荷、介質(zhì)溫度及管外土壤環(huán)境來分析熱應(yīng)力的變化規(guī)律。結(jié)果表明：管道彎管熱應(yīng)力主要集中在外側(cè)大弧面區(qū);隨著管道內(nèi)壓的增加，彎管的熱應(yīng)力及變形呈線性增長，增長系數(shù)分別為0.019和0.02%;隨著管道內(nèi)油流溫度升高，彎管熱應(yīng)力與變形逐漸增大且熱應(yīng)力增加的幅度較大;隨管外土壤溫度升高，彎管熱應(yīng)力與變形均增加，但變形較為明顯。

關(guān) ?鍵 ?詞：埋地?zé)嵊凸艿?彎管;熱-力耦合;熱應(yīng)力;變形位移

中圖分類號：TE 973 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）08-1711-05

Abstract： Under the dual effect of pressure load and temperature load， buried hot oil pipelines are prone to safety accidents such as tube explosion and leakage， which are particularly prominent at the bends. Based on the thermo-mechanical coupling analysis system， the thermal stress of the bent pipe was simulated and analyzed， and the change law of thermal stress was analyzed by changing the internal pressure load， medium temperature and soil environment outside the pipe. The results showed that the thermal stress of the pipe bend was mainly concentrated on the outer large arc surface area; as the internal pressure of the pipe increased， the thermal stress and deformation of the bend increased linearly， and the growth coefficients were 0.019 and 0.02%， respectively; As the temperature of the flow increased， the thermal stress and deformation of the bent pipe gradually increased， and the increase magnitude of the thermal stress was bigger; as the temperature of the soil outside the pipe increased， both the thermal stress and deformation of the bent pipe increased， but the deformation was more obvious.

Key words： Buried hot oil pipeline; Elbow; Thermal-mechanical coupling; Thermal stress; Deformation displacement

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年下半年國內(nèi)外地下油氣管道失效事故共313起，其中國內(nèi)298起[1]。通過調(diào)查，國內(nèi)管道事故發(fā)生的原因主要涉及8個方面，其中因管道泄漏導(dǎo)致的事故占42.6%[2]，導(dǎo)致管道泄漏的直接原因是外力破壞和自身強(qiáng)度失效[3]。

國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，管道熱應(yīng)力是導(dǎo)致埋地管道失效的重要原因之一。Afshan S與Pettinger A[4]運(yùn)用有限元模型對熱油乳狀液管道表面的溫度變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了應(yīng)力分布函數(shù);國內(nèi)學(xué)者黃有用等[5]針對加氫裂化管道應(yīng)力分布及載荷變化運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了管道設(shè)計(jì)的技術(shù)可行性;孫穎等[6]人基于有限元理論建立了空間模型，對輸氣管道的熱應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，并就其影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析;王志剛等[7]通過分析埋地管道出、入站轉(zhuǎn)角處應(yīng)力的分布規(guī)律，提出了降低熱應(yīng)力損害的解決策略;王夢珠[8]針對天然氣輸送管道，建立了泄漏擴(kuò)散模型，對介質(zhì)擴(kuò)散特性及管道應(yīng)力分布進(jìn)行了理論分析。

通過研究國內(nèi)外現(xiàn)狀可知，目前對于管道的應(yīng)力分析主要集中于常溫管道且研究對象大部分為管道整體，而對于彎管等流場復(fù)雜轉(zhuǎn)變區(qū)的熱應(yīng)力研究少有涉及。基于此，以埋地?zé)嵊凸艿?0°彎管為研究對象，首先運(yùn)用熱-力耦合系統(tǒng)對管道彎管處的熱應(yīng)力、變形變化趨勢及分布規(guī)律進(jìn)行研究;其次通過改變內(nèi)壓載荷、介質(zhì)溫度及管外土壤環(huán)境來分析熱應(yīng)力的變化規(guī)律。

1 ?數(shù)學(xué)模型

1.1 ?傳熱控制方程

2 ?物理模型

2.1 ?模型尺寸

埋地?zé)嵊凸艿缽澒艿墓軆?nèi)徑370 mm，管壁厚7 mm，保溫層厚度35 mm;重力加速度g取9.81 m·s-2，方向垂直管道向下。模型示意圖如圖1所示。

2.2 ?網(wǎng)格劃分

采用Sweep方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，曲率變化梯度較大區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。定義管道外表面與保溫層內(nèi)表面為耦合數(shù)據(jù)傳遞源[12]。為提高計(jì)算求解速度，對幾何模型進(jìn)行對稱處理，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

3 ?計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 ?熱應(yīng)力分析

建立熱-力耦合分析系統(tǒng)，運(yùn)用間接法求解耦合應(yīng)力。耦合分析系統(tǒng)分兩階段完成，首先運(yùn)用Steady-State Thermal進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，再將求得的溫度場作為溫度載荷加載到Static Structural分析系統(tǒng)進(jìn)行耦合求解，最終求得彎管耦合應(yīng)力及變形情況。熱-力耦合條件下的求解結(jié)果見圖3和圖4。

由圖3可知，熱-力耦合作用下彎管彎曲角外側(cè)壁面變形位移最大，為0.471 3 mm;變形區(qū)域越過彎管中性層向內(nèi)側(cè)拓展，因此彎管內(nèi)側(cè)變形位移僅次于外側(cè);彎管兩端設(shè)置固定約束，因此變形較小;彎管總變形在許用變形量范圍內(nèi)，可忽略不計(jì)。

圖4為耦合作用下彎管等效應(yīng)力分布云圖，其中（a）為整體分布云圖，（b）為圓周局部放大云圖。由整體分布云圖可知，等效應(yīng)力沿流體流動方向先增大后減小;由局部放大云圖可知，等效應(yīng)力沿徑向（外-內(nèi)）逐漸增大且呈層狀分布，等效應(yīng)力最大值為137.69 MPa。

3.2 ?管道內(nèi)介質(zhì)溫度對熱應(yīng)力的影響

原油經(jīng)加熱后沿管道流動，熱量以流體為媒介向外傳熱，使管道同時承載內(nèi)壓載荷與溫度載荷。因此，管內(nèi)流體溫度是影響彎管應(yīng)力波動的另一重要因素。為研究管內(nèi)流體溫度變化對彎管應(yīng)力及變形的影響，選取輸送溫度30～80 ℃作為研究區(qū)間（基于本文實(shí)際案例，原油凝固點(diǎn)為25 ℃，最高輸送溫度為80 ℃），繪制彎管變形位移與等效應(yīng)力隨管內(nèi)溫度變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知，隨原油溫度的增加，彎管變形位移與等效應(yīng)力皆呈線性增加趨勢。原油溫度每升高1 ℃，彎管變形位移平均增加0.017 mm，增加幅度為1.9%;等效應(yīng)力平均增加2.2 MPa，增加幅度為2.0%。

3.3 ?管道內(nèi)壓力對熱應(yīng)力的影響

管內(nèi)壓力的改變直接影響應(yīng)力的變化，為研究管道內(nèi)壓載荷對彎管等效應(yīng)力及變形位移的影響，恒定其他操作條件，設(shè)置油流溫度為47.6 ℃，操作壓力介于3～8 MPa，仿真結(jié)果見圖6。

由圖6可知，彎管變形位移與等效應(yīng)力隨內(nèi)壓增加而增大，且呈線性正相關(guān);內(nèi)壓載荷每增加0.1 MPa，變形位移增加0.005 mm，等效應(yīng)力增加3 MPa。由此可見，等效應(yīng)力受內(nèi)壓載荷的影響較為敏感。

3.4 ?埋地深度對熱應(yīng)力的影響

根據(jù)土壤自然溫度場模型，可推導(dǎo)出溫度隨地下深度變化的計(jì)算公式[13-14]。研究表明，溫度場與埋地深度密切相關(guān)，地表以下20 m范圍內(nèi)為溫度年變化帶，此帶溫度變化受季節(jié)性影響，工程設(shè)計(jì)管道埋地深度為2.5 m。因此，通過收集2011-2018年某地區(qū)月平均氣溫，將該溫度作為模擬控制溫度，即-25～22 ℃。針對不同土壤溫度的埋地?zé)嵊凸艿缽澒苓M(jìn)行仿真模擬，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，彎管等效應(yīng)力及變形位移與土壤溫度呈正比例變化。土壤溫度每升高1 ℃，彎管變形位移增加0.013 mm，等效應(yīng)力增加2.27 MPa。隨著四季溫度的周期性變化，管道熱脹冷縮，長時間積累使得管道使用壽命大大縮短。因此，如何解決因土壤溫度周期變化所帶來的不利影響，是一個有待于解決的問題。

4 ?結(jié) 論

運(yùn)用熱-力耦合分析系統(tǒng)對埋地?zé)嵊凸艿缽澒苓M(jìn)行了仿真模擬研究并得到以下結(jié)論：

1）埋地?zé)嵊凸艿缽澒艿刃?yīng)力主要集中在彎管外側(cè)區(qū)域，沿中性層呈“橢圓形”對稱分布。

2）埋地?zé)嵊凸艿缽澒茈S內(nèi)壓的增加，等效應(yīng)力及總體變形位移皆增加，但等效應(yīng)力受內(nèi)壓載荷影響較為敏感。

3）埋地?zé)嵊凸艿缽澒茈S著管道內(nèi)油流溫度升高，彎管熱應(yīng)力與變形逐漸增大，且熱應(yīng)力增加的幅度較大。

4）埋地?zé)嵊凸艿缽澒茈S管道外側(cè)土壤溫度的增加，埋地管道彎管等效應(yīng)力及變形位移逐漸增大;土壤溫度每升高1 ℃，彎管變形位移增加0.013 mm，等效應(yīng)力增加2.27 MPa。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家統(tǒng)計(jì)局.中國統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2018.

[2]中國市場調(diào)查網(wǎng).中國城市地下管線探測市場調(diào)研與發(fā)展趨勢預(yù)測報(bào)告： 563672[R]. 北京：中國產(chǎn)業(yè)研究院，2018.

[3]鄭洪龍，王婷.國內(nèi)外油氣管道事故統(tǒng)計(jì)分析[J]. 管道保護(hù)， 2017（4）： 15-19.

[4]AFSHAN S， PETTINGER A. Thermal Analysis of Buried Insulated Pipes[J]. Journal of Failure Analysis and Prevention， 2018， 18 （6）： 1554-1561.

[5]黃有用，潘兵兵. ANSYS在管道熱應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J]. 低碳世界，2017（24）：47-48.

[6]孫穎，呂超.基于有限元的輸氣管道熱應(yīng)力及影響因素分析[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，37（2）：19-22.

[7]王志剛，郭大成，谷萬冰，楊爽.埋地?zé)嵊凸艿缽澒軕?yīng)力監(jiān)測分析[J].油氣田地面工程，2016，35（2）：17-21.

[8]王夢珠.熱載荷作用下的天然氣管道泄漏擴(kuò)散分析[D].大慶：東北石油大學(xué)，2017.

[9]彭德其，羅海松，俞天蘭，等. 含固體顆粒流體旋流場強(qiáng)化傳熱綜合性能實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)過程，2017，45（7）：38-42.

[10]賈力，方肇洪，錢興華. 高等傳熱學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社，2003.

[11]顏坤，程樹森.頂燃式熱風(fēng)爐鋼殼受力及變形分析[J].過程工程學(xué)報(bào)， 2017，17（4）：771-778.

[12]JIN Y F， LI H T， MA R， et al. Numerical Simulation of Fluid-structure Interaction in Elbow Segment of Thickening Colloid Conveying Pipeline[J]. Safety in Coal Mines， 2015， 46 （01）： 13-16.

[13]朱前.埋地?zé)崃艿乐車寥罍囟葓鰯?shù)值模擬及應(yīng)用研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2017.

[14]王博，徐鑫，王衛(wèi)強(qiáng).30°彎管應(yīng)力集中處的沖蝕模擬分析[J].當(dāng)代化工，2020，49（4）：680-683.