沿坡敷设输气管道应力分析

NATURA 第 L G 3 。 A 卷 S AN 第 D 4 O L l天 然 号 与 石 油 l o 1 l l天 然 号 与 石 油 l u 0 沿坡敷设输气管道应力分析 黄坤吴世娟卢泓方鲜燕苏庆伟 西南石油大学石油工程学院， 四川 I 成都 6 1 0 5 0 0 摘要 ： 长距 离的输气管道所经过 的区域地形复杂 多变 ， 在 山区丘陵地 带一般采用 沿坡敷 设的方式 ， 由 于高低位 差的原 因， 管道 受力不均 ， 且 大 多沿坡敷设 的管道都是 根据经验参数 设计 ， 很容 易发 生管 道 失效。为 了在前期设计 中研 究管道 的受力分布 ， 校核其是否符合设计规 范和 安全要求 ， 使 用应力 分析软件C A E S A R 对某沿坡敷设 管道进 行应力分析 ， 研 究安装 、 试压和运行 工况下管道 的受力情 况 ， 得 出沿坡敷设方式 的安全性较高 的结论 。 分析结果对沿坡敷设 管道 的设 计和施工提供 了相应理 论依据 ， 具有工程价值和指导 意义。 关键 词 ： 沿坡敷设 ； 管道 ； 应力分析 ； C A E S A R I I 文献 标识 码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 6 5 5 3 9 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 0 1 0 4 0前 言 川气东送是我 国继西气东输工程后又一项天然 气远距离管网输送工程 。 该工程西起 四川普光气 田首 站 ， 东至上海末站 ， 全长 2 1 7 0 k m， 途经 6省 2市 ， 地 形复杂多变 。管道途经坡度较小的山区丘陵地带 ， 高 低位差不大 ，不宜采用施工难度大的隧道穿越方式 ， 一 般采用沿坡敷设方式。沿坡敷设可以充分利用地下 空间 ， 使 地上空 间较为简 洁 ， 不 需支撑措施 ， 施 工方 便 ， 工 期较 短 1 。 由于沿 坡敷设 的管道 大 多根据 经验 参 数设计 ， 使管道转向处或截面的受力超过管材的许用 应力 ， 应力集 中处易产生失效破坏 。因此有必要对沿 坡敷设的管道进行应力分析 ， 清晰地定位 出各工况下 管道各处 的应力值 ， 确定应力集 中的位置 ， 为管道 的 设计 、 施工与运行提供安全依据_ 2 刮。 1 管道基本应 力与校核 载荷是管道产生应力 的主要原 因， 根据应力基本 特征 ， 将应力划分为一次应力 、 二次应力和操作应力。 其 中一次应力是 由外载荷作用而在管道 内部产生 的 正应力或剪应力 ， 特点是无 自限性 ， 引起塑性破坏。二 次应力是 由于管道变形受约束而产生的正应力或剪 应力 ， 具有 自限性 和局部性 ， 引起疲劳破坏 。由于载 荷 、 结构形状的局部突变而引起局部应力集 中的最高 应力值称为操作应力 ， 它是导致脆性断裂和疲劳破坏 的原 因 。 为保证管件的强度安全 ， 危险点处最大工作应力 不允许达到( 或接近) 材料的极限应力。因此 ， 在设计 构件强度时 ， 不能以工作应力是否到达极限应力值来 判 断构件 的安全性 ，而是应在管件极 限应力 的范 围 内 ， 规定一个许用应力 作为衡量构件是 否满足强 收 稿 日期 ： 2 01 2 0 3-1 2 基 金项 目 ： 四川 I 省 重点学科建设项 目( S Z D 0 4 1 6 ) 作者简介 ： 黄坤 ( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 重庆荣昌人 ， 教授 ， 硕士 ； 西南石 油大学设计研究院副院长 ， 从事油气储运 、 储运地面工程设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I l O 2 l 油O IL i 2 0 1 2 - 8 月 度要求 的依据 ， = F O s ， 其 中F值为不同地区强 度设计系数 ， 为焊缝系数 。 管道由于热胀冷缩 、 曲率 发生突变 、 端点 附加位移 或受到约束 ， 会产生相应 的 轴力 、 剪力 、 弯矩 和扭矩 ， 一般应 力计算后需要进行 一 次应力 、 二次应力和操作应力 的校核 。 管道一次应力不得超过设计温度下管材的许用 应力 ， 即 o r L 管道二次应力不得超过许用应力范 围， 即 o - E 亍 厂 ( 1 2 5 0 - 。 + O 2 5 ) 操作应力即 与 o r 之和 O O r E 应满足 o l l+oE s 式中 管材的许用应力 ， MP a ； 厂由压力引起 的纵 向应力与重力 、 风荷载 等外 载荷在管道 中产生 的纵 向弯 曲应 力之和， MP a ； f ， 二次应力 ， MP a ； 许 用应 力范 围 ， MP a ； o r 管 材在 2 0 c I = 时 的许用 应力 ， MP a ； 管 道 材料 标 准 中规 定 的最 小 屈 服强 度 ， MPa： 0 一操作应力 ， MP a ； _产一 预期寿命内， 考虑循环总次数影 响的许用 应力范围减少系数。 2管道模型建 立 采 用 国 际通 用 管 道 应 力 分析 软 件 C A E S A R I I 对 某沿坡敷设管道进行应力分析 ， 其校核方法依据美 国 AS ME B3 1 8 Ga s Tr a n s po r t a t i o n a n d Di s t r i b u t i o n P i pi ng S y s t e ms。应力分析软件 C A E S A R对管道应力的分 类 、校核及执行标准都与国内管道设计规范要求类 似 ， 不 同的是管道校核许用应力采用的是管材许用应 力的 9 0。 2 1 管 系输入 管系输入是进行静力分析的基础 ， 包括管道参数 ( 管长 、 管径 、 壁厚 、 腐蚀裕量等 ) 、 空间走 向( D X、 D Y、 C o s X、 C o s y等) 、 外界条件 ( 温度 、 设计压力、 流体密度 等) 、 管材参数( 管材型号 、 许用应力 、 泊松 比等 ) 、 约束 条件 ( A N C、 + Y、 L I M等) 。 沿坡敷设仅两端采用固定支 墩 ， 固定支墩可简化为固支约束( A N C) 。 管系输入从 节点 1 O开始 ， 输入过程 中数值要根据具体情况变化 ， 管道长度与壁厚应根据实际情况确定。 2 2覆土 模型 管系输入完成后 ， 需对管道覆土。包括输入土壤参 数( 土壤密度、 摩擦系数、 压实系数等) 、 选择入土点与出 土点。覆土后的管道模型即为近似于实际情况的管道。 2 3 建 立载 荷工况 斜坡内管道工况应力分析包括操作应力 、 一次应 力计算和二次应力计算工况。 操作应力工况 ： O P E L 1 = + P ， 载荷 、 结构形状 的局部突变引起的局部应力集 中的最高应力值 ； 一 次应力计算工况 ： S U S L ： = + JP ， 由内压 、 自重 ( 管道及管 内介质) 引起 ； 二次应力计算工况： E X P ) L ， = 一 L ： ，由纯热态应 力 引起 。 式 中 白重载荷 ， N； 一 温度载荷 ， N； P _压力载荷 ， N 。 3 沿坡敷设管道应 力分析 实例 弯 弯 s 豢 鐾 设 弯 弯管3 一 弯管 6 弯 管 1 j L 管 7 一 g - - - 蝰 靴 进气 弯管 弯管8 出气 斜坡坡脚高程 3 2 0 O 0 m， 坡腰高程 3 4 4 4 0 m， 坡顶 高程 3 6 8 9 0 m。 管道总长度 7 2 1 m， 在斜坡内采用大开 挖方式 ， 研究 的管道起点和终点分别设置固定支墩 1 、 固定支墩 2 ， 用以截断研究对象外管道的影响。 西侧进 土导向前有 3 0m长的管段 ， 与入土处有 6 0 。 的偏离度 ； 西侧平巷长 1 0 6 3 8 m， 西侧 斜坡总长 2 1 9 1 9 m； 东侧 出土导向后有 3 0 m长的管段 ， 与出土处有 6 0 。 的偏离 度 ； 东侧 平巷长 1 0 6 3 8 m， 斜 坡管道 长 2 8 8 7 6 m。弯 管 的曲率半径 R = 6 D， D为管道外径 ， 地区等级为 1 级 。 为说 明沿坡敷设方式 的安全性更高 ， 分析对象为 “ 非绕行 ” 敷设方式 ( 假想 的管道敷设方式 ， 即管道从 坡脚到山顶之间为折线