郭敬超

摘要：輸油管道是國家能源的大動脈之一，其安全運營對國家經濟發(fā)展有非常重大的影響。近年來，隨著工業(yè)化進程和城市化速度的不斷加快，我國國內管道數(shù)量不斷增加，特別是用于運輸原油、天然氣、成品油等介質的管道迅速發(fā)展。我國地形復雜多樣，使得管道一般要穿越隧道、跨越障礙物等特殊的地方，這些地方的管段施工、檢修和安全狀態(tài)檢測難度較大，一旦管道發(fā)生失效，將造成人員的傷亡，環(huán)境污染等嚴重的后果。為了保證管道的安全運行，我們必須重點對這些特殊管段進行應力分析和安全性研究。

關鍵詞：輸油管道，跨越管道，隧道內管道

管道是能源運輸?shù)闹饕绞?，在石油工業(yè)發(fā)展發(fā)揮著重的作用。管道輸送的介質有水、水蒸氣、天然氣、石油、乙烯等化工介質，在輸送過程中常伴有高溫高壓。隨著我國國民經濟的不斷發(fā)展和城市化進程的提速，管道建設迎來了大發(fā)展。用于輸送石油產品和天然氣介質的管道數(shù)量需求日益增大[1]。大多數(shù)情況下管道采用埋地敷設，而且常常經過人口密集區(qū)，有時甚至會遇到，此時就大大增加了管道敷設、檢修和維護的難度，不僅如此，管道內的輸送的介質常常具有易燃、易爆或有毒等特性，勢必增加了燃燒、爆炸或中毒等事故的發(fā)生的概率，所以當遇到需穿越隧道、跨越障礙物等情況時，必須嚴格遵守相關施標準和規(guī)范，確保管道安全運行[2]。在國內外管道失效事故時有發(fā)生，其原因除了施工質量、設計、疲勞、腐蝕問題等外，還有就是在管道穿越隧道、跨越河流障礙物等的特殊管段由于應力分布不均產生的失效破壞。為了確保管道的安全運行和人民財產安全，就必須準確的對管道的特殊管段應力應變進行分析，從而確保管道安全。

1 管道應力分析

管道應力分析主要是確保管道應力在規(guī)定的范圍內滿足管道的強度和柔性的要求，對管道力學的分析和評定，有效解決管道受力問題，為設計提供理論依據(jù)。管道應力分析分分兩步進行，首先根據(jù)管道受到應力算出位移量、內力和應力等力學參數(shù)，然后根據(jù)安評標準對比得出的力學性能是否滿足管道安全需求。因此，為確保管道安全、運行平穩(wěn)，就必須對管道進行應力分析。管道應力分析有三個好處：一、依據(jù)管道周邊的地理信息，為設計管道提供足夠的強度，降低管道安裝期間的應力等力學參數(shù)對管道產生的影響，從而規(guī)避管道發(fā)生塑性變形，確保管道安全運行;二、在設計管道時為管道提供足夠的柔性，從而使管系依靠自身足夠的柔性吸收管道在冷熱變換時產生的形變量，確保管道運行平穩(wěn)。三、應力分析確保管道設計時更具科學性，既能符合國家標準和安全規(guī)范，又能滿足工程預算的要求，做到經濟合理。

對特殊管段進行應力分析，這不僅可以為敷設管道的各個階段提供理論依據(jù)，并且能根據(jù)管道所處的地理情況彌補管系的特殊管段產生的各種應力，從而消除各種應力帶來的隱患，保證管道的平穩(wěn)安全運行，提高管輸效率。以此為基礎對管道進行更加全面安全性分析，找出影響管道發(fā)生故障的各種因素，得出管道事故發(fā)生的概率，分析各因素產生的幾率、重要程度對管道事故概率的影響;通過對各因素的分析，提出科學、合理的預防措施來避免事故的發(fā)生，為管道的安全運行提供理論支持。

2 研究背景

隨著油氣田開采的快速增長，管道作為油氣運輸?shù)闹饕侄问艿皆絹碓蕉嗟闹匾?，經過一代又一代的專家、學者等的不懈努力，油氣儲運已經取得了一定的進展。管道應力分析作為油氣管道設計、施工的重要一環(huán)，為確保安全生產、優(yōu)化設計、降低施工和維護成本等方面發(fā)揮著重要作用。除了在石油、天然氣運輸方面，在化工、熱力、電力等燃化工業(yè)管道設計中也具有舉足輕重的作用。

2.1 國外研究綜述

北歐以一維模型作為管道的強度標準進行計算，在不考慮內部壓力的情況下，把補償器和彎頭簡化為自由端，把溫度變化引起的熱應力作為熱管道唯一載荷;在進行應力分析才把內部所受壓力考慮進去，然后用彈性力學理論進行分析，分析過程中不考慮塑性變形。長輸管線強度設計準則：由蘇聯(lián)彼從事全蘇干線管道建設科學研究得羅夫等創(chuàng)立的極限狀態(tài)設計理論?？煽啃韵禂?shù)在1975年引被入了設計規(guī)范中，金屬管道的彈塑性強度極限即第一極限狀態(tài)設計——在內壓力作用下被管道破壞;然后按第二極限狀態(tài)來校核金屬管道的彈性屈服極限，即管道環(huán)、縱向應力的當量應力不能大于兩個極限應力值。以極限狀態(tài)法為基礎蘇聯(lián)長輸管線設計規(guī)范，與美國和西德的許用應力法相比，蘇聯(lián)的設計規(guī)范更為經濟，而美國和西德則偏保守。到90年代中期，一種新的設計管線強度的方法被專家提出，這種方法通過減薄管壁厚降低作業(yè)量、降低成本和生產費用。把非線性運算運用到研究過程設計方法，使得ASMEB31.4和B31.8規(guī)范被得到認可。前蘇聯(lián)的管道輸送規(guī)范中規(guī)定：在進行管線應力分析時，必須考慮管線鋼的非線性特性。因此，隨著科學技術的不斷發(fā)展，長輸管線強度設計理論、準則還在不斷地發(fā)展和完善中。

2.2國內研究綜述

國內學者專家在管道應力分析方面也取得了一些研究成果，如西南石油學院的鄧道明對無固定墩兩端埋地跨越管道的自振頻率提出了新的計算方法，在其取得的成果表明：自振頻率設計計算應考慮當量軸向力和埋地相鄰管道之間的相互作用，因而推到出了無固定墩埋地管道固有頻率的特征方程。在原有的計算公式上，得出新的計算公式。從研究結果可以看出，對頻率起主要作用是內壓、溫差產生的軸向當量力，如果錨固墩被取消就極大降低管道的固有頻率。根據(jù)研究結果得到的計算值，系統(tǒng)地探討了頻率公式的可用性，從結果得出：當量軸向力、拉力為零時，計算結果有很高的精度;當壓力為當量軸向力時，公式的誤差比較大，此時計算固有頻率時應按特征方程來計算。

又如西南石油學院的鄧道明在研究有/無固定墩跨越管道的內力和變形時，在考慮幾何非線性的基礎上，得出內力和撓度在有固定墩跨越管道的計算公式，經簡化得出具有應用價值的計算公式。得出了有/無固定墩跨越管道的內力和撓度的比較結論：添加固定墩，管道的當量軸向拉力、撓度及軸向拉力被減小，同時軸向當量軸向壓力及壓力增大;當軸向力改為壓力，有固定墩時小于沒有固定墩跨越管道的最大彎矩大于的值，若為拉力時，則大于無固定墩的最大彎矩;有固定墩的跨越管道中的彎矩的絕對值的小于嵌固端跨彎矩的絕對值。而無固定墩跨越管道的橫向反力系數(shù)的值是兩者大小關系的主要因素。當進行靜力分析時，跨越時可不設置錨固墩的管道有：遠離壓縮機站的輸氣管道、等溫輸送的成品油管道以及低溫LNG管道;而輸熱油管道通過設計方案作對比來確定是否設置錨固墩。

3 研究技術

長輸管道直跨力學分析時指出：首先將埋地管線直管跨越簡化為大撓度梁，考慮管道幾何非線性關系，然后將埋地管道作為有限長梁，顧及土壤縱向力的非線性關系，研究了彎矩、應力、撓度在橫向的分布以及溫差、固定墩位置、自重、跨長及防腐層厚度變化對彎矩、應力、撓度的影響。研究結果表明：隨著懸空段距離的增加，固定墩處彎矩、跨中彎矩變化過程是從小于到大的，跨度為5～10m時的跨中撓度迅速增加，隨后逐漸平穩(wěn)。應變的計算方法研究長輸管道變形問題，得出了管道應變分析的計算方法，首先將長輸管道作為簡支梁，以軸線伸長為基礎，據(jù)此建立了梁變形問題的方程和位移與應變之間的關系，然后根據(jù)同一基線上位置不同及同一截面的各個位置的應變值，通過位移與應變之間的關系采用數(shù)值計算的方法求解得到簡支梁的變形量，最后根據(jù)應變值計算出撓度值。由于管道兩端受到固定墩的約束，所以管道由于撓度存在，伸長，利用梁的大撓度理論可以計算軸線長度。這種計算方法雖然存有一定的誤差，但是通過撓度曲線的計算得到的趨勢有一定的可信度。清華大學的郭瑞平、李廣信運用ANSYS軟件對北京二里莊小區(qū)供熱管網“L”形管道的固定墩受力進行了數(shù)值模擬，得出內力及位移的分布規(guī)律，并分析了各參數(shù)（結構、彎頭夾角θ）對最大應力的影響。而且指出了管網中“L”形管道彎頭部位容易發(fā)生破裂的原因，并得出了一系列對施工和設計有巨大參考價值的結論。中國石化集團勝利油田設計院的陳同彥、賈春磊等應用ANSYS軟件對在懸索式管橋體系進行有限元結構分析，重點分析了管橋的主要構件的受力情況，并對安裝尺寸的確定進行了討論。利用懸索幾何結構非線性的關系，采用ANSYS的結構分析模塊，首先采用懸索體系的數(shù)學模型，然后進行索形配型，計算分析各種工況的結構靜力，為確定合理的安裝尺寸，為管道施工提供理論依據(jù)。

中國石油北京天然氣公司的安宇、董紹華利用ANSYS軟件，分析了炸藥在地面爆炸時其擊波對跨越段架空管道的影響，對炸藥設置（炸藥用量、炸藥位置以及炸藥與管道的距離）進行數(shù)值模擬，得出炸藥設置對架空管道應力分布的影響，得出了管道在爆炸沖擊中受到壓應力作用，且這種作用為瞬態(tài)受力過程，這一結論解決了爆炸沖擊波作用下架空管道的動力響應問題。

長江大學的陳希湘、馮然、陳譽等對天然氣管道的懸索跨越結構在風載荷作用下進行響應分析，然后根據(jù)計算結果對懸索跨越結構作出安評。研究得出抗風索在風荷載作用下發(fā)揮的作用起主要作用，得出抗風索內力變化最大，主要表現(xiàn)在迎風面一側的抗風索內力變大，背風面一側的抗風索內力變小，所以提出對該類橋的橋身桁架和吊索減小截面的建議，同時將主索和抗風索截面加大，這樣就可以大大提高其安全性。

天津大學的王暉、韓博等采用通用有限元分析軟件ANSYS對大跨度圓弧形拱式跨越管道進行參數(shù)化建模，并計算了所建模型在多種靜力荷栽共同作用下的變形與應力分布情況，對本結構不同壁厚、不同管徑的模型進行了穩(wěn)定性分析，以探究影響管道穩(wěn)定的因素，可為圓孤形拱式跨越管道的設計提供。

西南石油大學的魏孔瑞，姚安林將油氣長輸埋地管道懸空段管道簡化為兩端彈性支撐的力學模型，懸空后可視其為具有跨越能力的懸垂跨越管道，計算油氣管道懸空沉降變形引起的附加應力和最大允許懸空長度#依據(jù)強度理論，建立懸空管道沉降變形失效評估模型#最后，結合工程實例說明該評估模型的使用方法。

新疆石油勘察設計研究院的成磊，運用大質量地震輸入方式，建立了ANSYS分析模型，在地震波作用下，以典型的懸索跨越管道進行非線性動力分析，得出在道地震響應結果下的懸索跨越管應力分布，并且分析了懸索跨越管道地震響應的規(guī)律和特點。研究發(fā)現(xiàn)當?shù)卣鸩ㄗ饔糜趹宜骺缭焦艿罆r，彎管處受力最大，管跨中心撓度最大，地震橫波和縱波對結構影響較大。

結論

基于管道跨越結構其結構的特殊性，極容易受到斷層、土體塌陷等地質災害的影響。因此，建立了埋地管道坍塌在土壤作用下的有限元力學模型，分析了各角度（30°，40°，50°，60°）坍塌和不同長度土壤發(fā)生沉降時，懸索管道的應力變化程度。結果表明，當埋地管道的角度確定后，便可得出安全沉降距離;當埋地管道角度為50°時，沉陷長度應小于13.6m，就可保證管道不會發(fā)生塑性變形。研究的結果為埋地管道的設計提供了理論依據(jù)，研究的結果可應用在類似的埋地管道的應力設計中。

參考文獻

[1]王紅菊，祝愨智，張延萍.全球油氣管道建設概況[J].油氣儲運，2015，34（01）：15-18.

[2]狄彥，帥健，王曉霖，石磊.油氣管道事故原因分析及分類方法研究[J].中國安全科學學報，2013，23（07）：109-115.

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