付 冉 姚安林,2.西南石油大學石油與天然氣工程學院, 四川 成都 60500；2.油氣消防四川省重點實驗室, 四川 成都 60500

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水網(wǎng)地區(qū)漂浮輸氣管道應力分析

付 冉1姚安林1,2
1.西南石油大學石油與天然氣工程學院, 四川 成都 610500；2.油氣消防四川省重點實驗室, 四川 成都 610500

水網(wǎng)地區(qū)輸氣管道在汛期會產(chǎn)生不與河床接觸的局部漂浮管段,管道在動水作用力、浮力、重力及岸邊土體抗力的共同作用下發(fā)生空間彎曲變形。為得出管道在局部漂浮時的應力分布情況,建立水流作用下漂浮管道的力學模型,采用CAESARⅡ有限元軟件對管道進行數(shù)值模擬。結合管線工程實例進行分析,得到管道應力分布和變形情況及危險點的位置。漂浮管道的力學行為受諸多因素影響,分析管道最大當量應力隨影響因素的變化規(guī)律,對水網(wǎng)地區(qū)輸氣管道的日常維護和制定搶險方案具有重要的參考意義。

輸氣管道；漂??；應力分析；CAESARⅡ

0 前言

水網(wǎng)地區(qū)易發(fā)生洪水,洪水沖擊河床泥土,造成輸氣管道局部漂浮,甚至可能發(fā)生管道沖斷事故。輸氣管道的破壞不僅造成嚴重的經(jīng)濟損失,而且還會造成天然氣泄漏污染環(huán)境。分析洪水作用下對漂浮輸氣管道的各種影響因素,從而合理地控制這些影響因素,對輸氣管道安全運營具有現(xiàn)實意義。

水流對輸氣管道的作用力十分復雜。張樂天等人[1]采用數(shù)值方法分析水流沖擊管道的流場分布,得出不同裸露程度管道的力學響應,余建星等人[2]推導懸跨管道在管外和管內(nèi)流動流體共同作用下的振動微分方程,并以不發(fā)生渦激振動作為控制條件推導出管線允許懸跨長度,由丹丹等人[3]基于Morison方程,建立了局部漂浮管道的動水作用力模型以及推導了有限元離散方程,楊兵等人[4]于2008年利用模型實驗研究了單向海流載荷下管道局部沖刷現(xiàn)象,結果與河流穿越有類似之處,吳曉南等人[5]通過對比理論計算和CAESARⅡ軟件模擬分析大口徑厚壁鋼管輸氣管道,證明CAESARⅡ軟件在大口徑厚壁鋼管中的應力分析是可靠的。王曉霖等人[6]采用解析法計算了不同管道參數(shù)和洪水參數(shù)條件下管道的應力和應變分布情況。本文采用CAESARⅡ應力分析軟件,分析漂浮管道在各種不確定性參數(shù)發(fā)生一定變化時對管道安全的影響程度。

1 漂浮管段的形成機制

圖1 水中漂浮管段示意圖

漂浮輸氣管段是指采用大開挖直埋方式穿越河流的輸氣管道與河床表面不發(fā)生直接接觸的懸跨段,見圖1。穿越水網(wǎng)地區(qū)輸氣管道懸跨段形成的原因主要有：

1)雨季水流沖刷河床與水流下切作用,造成輸氣管道局部漂浮。

2)在敷設輸氣管道的過程中,管道的連接處會產(chǎn)生殘余應力,這些殘余應力對水網(wǎng)地區(qū)的漂浮輸氣管段的形成有很大的影響,具有殘余應力的水網(wǎng)地區(qū)輸氣管道由于應力重新分配與傳遞,導致管道在某些局部產(chǎn)生屈曲變形,形成漂浮管段[7]。

3)由于人口稠密,在輸氣管道附近有許多人工活動形成的砂坑,隨著其規(guī)模擴大而發(fā)展到管道處。

4)其他原因造成輸氣管道局部漂浮。

2 漂浮管道變形及內(nèi)力分析

2.1 分析模型的建立

在水流的沖擊作用下,水中漂浮管道受到水流水平方向拖曳力FD、慣性力FI,豎直方向的升力FL、浮力Ff以及管道自身和內(nèi)部介質(zhì)重力W[6]的共同作用,見圖2。

圖2 漂浮管道載荷示意圖

在洪水季節(jié),水流中可能會夾雜一些砂石和其他物體,水流密度ρw與其含沙量有關[8],取值如表1所示,近似取水流黏滯系數(shù)υ為1.001 003Pa·s。

表1 水流含沙量與水流密度的關系

含沙量水平含沙量/(kg·m-3)水流密度/(kg·m-3)低101006中1001060高2001120極高3001180

若已知水流的具體參數(shù),也可通過下式計算水流密度ρw[9]：

ρw=ρ0(1-Sv)+ρsSv

(1)

式中：ρw為水流密度,kg/m3；ρ0為水流和沙的總密度,kg/m3；ρs為水流中的沙密度,kg/m3；Sv為體積比含沙量。

單位長度管道及內(nèi)部介質(zhì)重量W：

(2)

式中：ρp為管道材質(zhì)的密度,kg/m3；ρi為管道內(nèi)介質(zhì)的密度,kg/m3；δ為管道壁厚,m；D為管道外徑,m；g為重力加速度,m/s2。

管道單位長度受到的靜水浮力Ff：

Ff=πD2ρwg/4

(3)

由于不考慮水流速度的變化,根據(jù)Morison方程[10],管道不受水流慣性力FI作用,故管道單位長度的水流作用力為：

FD=0.5ρwDCDu2

(4)

FL=0.5ρwDCLu2

(5)

式中：u為平均水流速度,m/s；CD為動水阻力系數(shù),無因次；CL為拖曳力系數(shù),無因次，見表2。

表2 動水阻力系數(shù)與拖曳力系數(shù)

名稱不同Re下CD和CL系數(shù)0 5×1050 5×105～1×1051×105～2 5×1052 5×105～5×105>5×105CD1 31 21 53-Re3×1050 70 7CL1 51 01 2-Re3×1050 70 7 注：雷諾數(shù)Re=uD/υ。

水平面(xz為水平面)內(nèi)的力學分析模型[11-13]見圖3。虛線為漂浮輸氣管段在水平面上的投影，漂浮段水平方向上均布動水作用力qz。產(chǎn)生漂浮管段過后,除了裸露在水中的管道外,沿軸向兩端的管道仍埋于土壤中,受未損地基的支撐。建立CAESARⅡ有限元物理模型時,合理選取埋地管段長度,取單側埋地段長度為懸跨段長度的一半,這時管兩端A(A′)截面可近似為固支[14]。

圖3 漂浮管道水平面受力模型

將漂浮管道所受載荷分為兩類：水平(沿流速方向)水流拖曳力和豎直方向的浮力、升力和重力。管道因承受兩個方向上的作用力而呈現(xiàn)水平和豎直組合彎曲變形。水流作用下的管道表現(xiàn)為復雜的空間受力形式。根據(jù)工程力學可知,漂浮管道關于a-a軸對稱,最大撓度在管道中點。

2.2 應用實例分析

（3）第三時期是以混合云計算模式為基準，該種計算模式完全突破了私有云以及公有云計算模式的界限，用戶們不僅僅是云服務的使用人員，更是云服務的提供人員，該種模式下，社會信息資源的共享值極大，在第三時期，信息安全也得到了保障，可以將油田的基礎設施資源放置到其中。

我國某地洪水暴發(fā),導致一條輸氣管道被水流沖刷成漂浮管道,使用CAESARⅡ軟件對其進行應力計算。

該輸氣管道的管材為X70鋼,彈性模量E=210GPa,管道外徑D=1 016mm,壁厚δ=17.5mm,管道壓力p=10MPa,屈服強度σs=485MPa,輸送介質(zhì)溫度為常溫。漂浮段L=40m,兩端依舊埋于河床土壤中,土壤溫度為常溫,水流速度u=3m/s,水流為中等含沙量,水流密度ρw=1 060kg/m3。

進入Piping-Input模塊,按照SI單位制輸入管道基本參數(shù),進行約束設置。漂浮輸氣管段受到水流作用,根據(jù)圖2所示管道受力分析圖,對其添加均布載荷。管道模型建好以后,進行錯誤檢查。如果發(fā)現(xiàn)錯誤,返回修改參數(shù)。沒有錯誤,將生成報告,顯示分析結果數(shù)據(jù)。

在CAESARⅡ軟件的主界面菜單中選擇Input-Underground,進入埋地管線模塊,對埋地管單元進行土壤模型的加載。土壤參數(shù)見表3。

表3 土壤參數(shù)

土壤摩擦系數(shù)土壤密度/(kg·m-3)管道埋深/m土壤內(nèi)摩擦角/(°)回填夯實系數(shù)0 519601 663305

通過土壤約束的加載,利用CAESARⅡ軟件可分析得出埋地管道的管單元虛擬錨固長度(過渡段長度)、軸向剛度、橫向剛度、屈服位移、彈性臂長等數(shù)據(jù)。土壤模型建立以后,才正式完成埋地管道模型的建立。

在配置菜單中設置AMSEB31.3為默認規(guī)范,采用第四強度理論對管道進行應力分析并計算管道的Mises應力。定義組合工況,進行靜態(tài)分析。CAESARⅡ軟件的靜態(tài)分析結果見圖4。

圖4 靜態(tài)分析結果

2.3 結果分析

通過軟件計算管道受力情況,得到管道在運行狀態(tài)下的應力值，見表4。

表4 計算結果

管系單元節(jié)點彎曲應力/kPa最大當量應力/kPa豎直方向位移/cm水平方向位移/cm10-121020 67295505 200010-121246 99295535 500 01520 006212-2020108 10295596 600 02360 013320-3030458 42295946 900 03170 017430-40402145 58297634 10-0 0553-0 025640-414122987 77318476 30-0 0768-0 035541-424255743 99351232 500 11150 051642-494965704 89361183 700 35800 165649-515163818 89359307 400 73270 346451-606027032 28322520 804 91882 274960-707056030 84351519 307 12923 295570-808025062 81320551 304 82332 225480-909065871 78361360 300 72080 324290-919151501 91346990 400 15280 061291-929222558 89318047 40-0 0200-0 018592-1001002757 66298246 200 01070 0061100-1101108703 90304192 400 06460 0184110-1201204475 22299963 700 06160 0175120-12912949 73295832 200 03250 0092129-13013021 98295506 3000

通過計算得到的管道應力值,繪制漂浮管道當量應力沿管線的分布情況，見圖5。

圖5 管道當量應力沿管線分布圖

3 各相關因素影響下管道的受力特性

3.1 影響因素的選擇

為了解各相關因素影響下管道的受力特性,同時根據(jù)上節(jié)分析的漂浮管道應力分布情況,水流作用下的漂浮管道受力的影響因素主要來自兩個方面：幾何特性和外部受力。在幾何特性方面主要分析管道徑厚比和管道漂浮段長度對管道受力的影響；在外部受力方面主要分析水流速度的影響[15-16]。當選取一個因素變化時,其他因素均保持不變。

3.2 漂浮管道長度的影響

漂浮管道長度是影響管道受力的主要因素,分別針對4組外徑壁厚組合：1 219mm×18.4mm、1 016mm×17.5mm、1 219mm×22.0mm、1 016mm×21.0mm,徑厚比依次減小,并設定4種漂浮長度10、20、30、40m,其他參數(shù)不變,通過CAESARⅡ軟件計算管道在運行狀態(tài)下的當量應力值。不同管道的最大當量應力值隨漂浮管道長度的變化曲線，見圖6。

圖6 不同管道的最大當量應力值隨漂浮長度的變化曲線

由圖6可以看出，當管道徑厚比增大時,管道最大當量應力值增大,管道易發(fā)生危險。而隨著管道漂浮長度的增大,管道最大當量應力值增大,且隨著漂浮管道長度的增大,當量應力值增長越來越快。

3.3 水流速度的影響

為避免初始差異影響分析結果,在對不同水流速度下管道最大應力值數(shù)值模擬中,直接將管道設定為統(tǒng)一漂浮長度的實體模型。分析水流速度對管道應力影響時,分別針對4種外徑壁厚組合：1 219mm×18.4mm、1 016mm×17.5mm、1 219mm×22.0mm、1 016mm×21.0mm,漂浮長度為40m,分別施加5種不同水流速度,確定當量應力值。不同管道的最大當量應力值隨水流速度的變化曲線，見圖7。

圖7 不同管道的最大應力值隨水流速度的變化曲線

根據(jù)圖7可知,在管道的徑厚比一定時,當水流速度增加,管道的最大當量應力增大,這一結果與水流速度增加使拖曳力增大相對應。在相同水流速度條件下,管道當量應力隨徑厚比減小而減小。但在實際工程中,管道徑厚比的減小使單位管段的耗材量增大,導致成本增加。

4 結論

1)通過對不同規(guī)格的管線進行運行條件的數(shù)值模擬和分析,若水流沖刷使管道漂浮長度增加或水流速度增大,管道應力增大,應采取相應的防護措施,避免管道因當量應力過大造成斷管事故。

2)根據(jù)分析結果可知,在管道日常維護階段,減小管道漂浮長度(如漂浮管段中間設置穩(wěn)管樁)可作為自然災害環(huán)境下保證管道臨時安全的治理方法之一。與此同時,在管道設計及施工階段,是否采用混凝土加重塊的方法來增加管道的安全性,應根據(jù)實際工程情況確定。

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2015-04-20

付 冉(1990-),女,四川成都人,碩士研究生,主要研究方向為油氣儲運系統(tǒng)風險評價與完整性管理。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.003