油田跨越段管道高應力風險點分析研究

曹俊 豆龍龍 韓彥忠 鄧康 馬衛鋒

1北京航空航天大學寧波創新研究院

2長慶油田分公司第十采油廠

3中國石油集團工程材料研究院有限公司

在管道敷設過程中，常有管道跨越河流、峽谷等情況。由于管道多處于偏遠地區，監控、防護不及時，可能導致管道被破壞，造成不必要的損失。一旦管道發生泄漏，輸送介質污染河流、土壤，將對下游及周邊居民的生活產生極大影響。目前管道設計方案比選主要是基于管道工程量、施工難易和投資多少，運行維護多采用定性描述。同時，集輸管線未結合管線應力分析開展復雜地形情況下風險預評估，無法掌握不利地形管線應力分布和高風險點，不能實現本質安全設計。為此，針對油氣管道路由設計，應結合管線應力分析開展復雜地形的高應力風險點分析。

國內外學者對跨越段管道系統的計算分析方面進行了研究，主要針對跨越段管道在靜載荷、風力[1-2]、地震[3-4]和土體沉降[5-7]等因素作用下的受力管道變形的情況。如SORENSEN 等[8]通過研究地震波對跨越段管道影響，獲取地震波對跨越管道系統應力影響規律。王召明等[9]結合有限元和力學性能試驗方法，分析了桁架跨越結構節點的極限承載能力與失效模式。HUANG 等[10]采用有限元方法分析了振動對懸索橋的影響規律，提出了準靜態抖振力模型。呂亦瑭[11]在研究瀾滄跨越工程風險時，發現跨越段管線受地震影響較大，地震危害主要是由于斷層錯動、地裂和滑坡等土層波動變形所致，結果表明管道在大彎管、出土端的應力較大。李智帥[12]采用有限元方法針對幾種典型形式的跨域管道進行了應力分析，發現跨越管道在靠近兩段固定墩的地方為應力危險區。但目前跨越段管道很少涉及到兩側邊坡上管道應力分析，據油田相關失效案例可知，邊坡上管道同樣存在失效案例，從而引發漏油事件。因此，針對跨越段邊坡上管道高應力點進行分析十分重要，可為油田日常保養及維護操作提供重點方向。

1 跨越段集輸管道問題分析

黃土高原油田地形復雜，如長慶油田地處鄂爾多斯盆地，跨越西北陜、甘、寧、晉、蒙五省、自治區，自然氣候惡劣，地形復雜，跨越管線多[13]。通過對油田河流跨越段輸油管道現狀調研分析發現：①河流跨越段輸油管線缺少風險預評估；②地形地貌及土質地理條件惡劣，溝壑縱橫，易發生坍塌、滑坡等地災；③跨越段兩側邊坡上管道由于雨水沖刷，部分管體已裸露。

根據GB/T 50459-2017《油氣輸送管道跨越工程設計標準》，關于管道跨越位置的選擇主要涉及到與現有交通道路、城市規劃、環境敏感區、地災易發生區和河道易侵灘沖淤處等相互影響，說明跨越管道易受環境干擾，一旦發生失效，危害和影響很大。地形復雜使得跨域段管道應力高風險點數量增多，地災易打破跨越管道系統的應力平衡，加劇轉角和彎管處的應力集中?？缭蕉蝺蓚冗吰马敼艿廊鐩]有土壤的約束與牽制，同樣也會造成邊坡頂管道的應力集中加劇，增加失效風險。

2 跨越段集輸管道有限元模型

選擇一處典型跨越段管道作為有限元模擬對象，如圖1 所示。管道規格為Ф89 mm×4.5 mm，外輸壓力1.16MPa，材質20#鋼，土壤密度1790kg/m3，彈性模量15 MPa，泊松比0.3?？缭焦艿纼蛇吷狡鲁叽缛鐖D2 所示，中間跨越39 m 寬河流。采用ABAQUS有限元軟件對跨越段管道靜態載荷進行模擬，主要考慮土體移動和管道及介質自重的載荷影響。

圖2 跨越段管道及山坡尺寸Fig.2 Size of crossing pipeline and hillside

根據API SPEC 5L 標準給定的管道最小屈服強度為245 MPa，有限元網格選用B31 二節點線性桿單元，對垂直于山坡土壤方向和垂直于桁架方向的管道位移進行約束?？缭蕉喂艿烙邢拊Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 跨越段管道有限元模型Fig.3 Finite element model of crossing pipeline

3 跨越段集輸管道應力檢測

為了對跨越段管道有限元模型計算的應力分布進行驗證分析，采用便攜式超聲應力檢測儀對跨越段管道關鍵位置進行應力檢測，超聲波應力測試儀是基于超聲波聲彈性理論，利用被測對象中超聲波速與應力之間存在的固有關系并將這種特性轉為數字信號表征的力學定量檢測設備，檢測結果用于驗證有限元模型的準確性，選取了圖4所示的檢測位置。超聲應力檢測依據標準為Q/SY 05009—2016《油氣管道焊縫應力超聲檢測技術規范》。G1、G2和G7 為山坡頂部位置，G3 和G6 為山坡底部位置，G4和G5為桁架橋上位置。每個點測量連續測量3次以上，觀測測量結果是否穩定。若出現波動明顯，則檢查探頭與管壁之間的耦合狀態是否良好。單點連續3次測試結果穩定可靠，視為單點數據測試有效?，F場檢測實際情況如圖5所示。

圖4 超聲應力檢測位置Fig.4 Position of ultrasonic stress testing

圖5 超聲應力檢測現場Fig.5 Site of ultrasonic stress testing

4 跨越段集輸管道高應力風險點分析

對隴東華池縣處典型跨越段管道的自重、山體移動、自重和山體移動疊加作用影響下的跨越段管道進行軸向應力分析，如圖6～圖8所示。

圖6 僅考慮重力影響的跨越段管道軸向應力有限元模擬云圖Fig.6 Axial stress finite element simulation cloud map of crossing pipelines only considering the effect of gravity

由圖6可知，考慮管體自重影響下的跨越段管道在4 處彎頭轉角處，即山頂2 處和山腳2 處轉角處存在應力集中，且山頂2 處的應力集中程度較大，最大軸向應力為8.9 MPa。由圖7 可知，考慮土體向下移動影響下（假設造成管體移動5 mm）的跨越段管道同樣在4 處彎頭轉角處存在應力集中，但土體移動造成了跨越段管道山腳彎頭轉角的應力集中程度大于山頂彎頭轉角處，最大軸向應力為73.9 MPa。由圖8 可知，考慮管體自重與土體移動疊加作用下跨越段管道應力集中程度情況與圖7類似，最大軸向應力為74.2 MPa。因此，土體移動對跨越段管道應力集中程度的影響大于管體自重的影響。

圖7 僅考慮土體移動的跨越段管道軸向應力有限元模擬云圖Fig.7 Axial stress finite element simulation cloud map of crossing pipelines only considering the effect of soil movement

圖8 自重與土體移動疊加作用下跨越段管道軸向應力有限元模擬云圖Fig.8 Axialstressfiniteelementsimulationcloudmapofcrossingpipelinesconsideringthecombiningeffectofgravityandsoil movement

對跨越段管道7處位置進行超聲應力檢測，并和自重與土體移動疊加作用下跨越段管道有限元模擬的7 處結果進行對比分析（圖9），可以發現G3和G6 山腳處應力集中最大，G1、G2 和G7 山頂處的應力集中程度次之，G4和G5桁架上的軸向應力最小。由應力檢測與有限元模擬的結果對比可知，應力檢測結果與有限元模擬結果吻合性較好，驗證了有限元模型的準確性。從檢測結果可以反推，隴東華池縣典型跨越段可能存在土體移動。由于黃土山坡受雨水影響較大，土體隨著山坡表面土體偏移造成了山腳處應力集中較大。

圖9 跨越段管道超聲應力檢測與有限元模擬對比結果Fig.9 Comparison results of ultrasonic stress testing and finite element simulation for crossing pipelines

隴東和陜北的油田跨越段管道大多處于黃土高原，黃土高原的土體疏松，垂直節理發育，極易滲水，黃土中黏土、易溶性鹽類、石膏、碳酸鹽等容易固結成聚積體，使黃土具有較高強度，但遇水則會溶解與分散，在受雨水浸潤后在自重和上部壓力的作用下，易發生濕陷，同時大孔隙也成為土體中水體和細粒物質遷移通道，使黃土易發生潛蝕[14-15]。受雨水影響，土體易發生濕陷和移動可能是黃土高原的普遍現象，而隴東與陜北高原地區油田管道跨越段數量較多。因此，隴東與陜北黃土高原地區跨越段防護重點應是山腳處彎頭轉角處和山頂彎頭轉角處，如有可能應進行補強措施，進行加固防護，保證跨越段管道運行安全。

5 結論

針對油田跨越段管道開展了高應力點風險分析研究，采用有限元模擬方法研究了管體及介質自重、土體移動和兩者疊加作用下的跨越段管道應力風險點分布，進而采用超聲應力檢測儀對跨越段管道應力風險點分布進行驗證分析，得出以下結論：

（1）土體移動對跨越段管道應力集中程度的影響大于管體及介質自重的影響。

（2）跨越段管道山頂和山腳轉角處為應力集中點，管體及介質自重影響下的跨越段管道山頂轉角處應力集中程度大于山腳轉角處，土體移動作用下的跨越段管道山腳轉角處應力集中程度大于山頂轉角處。

（3）超聲應力檢測結果驗證了跨越段管道有限元模型的正確性。