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长输管道设计方法进展 中国石油大学 北京 机械与储运学院张宏 2010年6月24日 中石化江汉设计院技术交流 1 第一部分陆上长输管道强度设计方法第二部分深水海洋管道敷设第三部分科研简介 汇报提纲 2 我国现有油气管道管网 成品油管道 天然气管道 原油管道 3 阿独线扩能长度 246公里规模 2000万吨 年建成时间 2009年 兰州 成都原油管道长度 890公里规模 1000万吨 年建成时间 2011年 俄油 哈油 图例 已有管道 新建管道 2015年中石油原油管网布局图 独山子 乌鲁木齐管道长度 260公里规模 1000万吨 年建成时间 2009年 漠河 大庆原油管道长度 965公里一期规模 2000万吨 年建成时间 2009年9月 缅甸方向来油 瑞丽 昆明原油管道长度 768公里规模 2000万吨 年建成时间 2011年 大庆 铁岭原油管道长度 547公里一期规模 3000万吨 年建成时间 2010年 铁岭 大港石化原油管道长度 623公里一期规模 1000万吨 年建成时间 2011年 石空 兰州原油管道长度 300公里规模 700万吨 年建成时间 2009年 长庆 呼和浩特管道长度 560公里规模 400万吨 年建成时间 2011年 昆明 重庆原油管道长度 873公里规模 1000万吨 年建成时间 2014年底 惠安堡 宁炼管道长度 120公里规模 600万吨 年建成时间 2010年 惠安堡 中宁复线长度 110公里规模 400万吨 年建成时间 2014年 4 中石油成品油管输计划 独山子 花土沟 格尔木 中宁 靖边 惠安堡 庆阳 赛汉塔拉 阿尔善 大庆 铁岭 鞍山 大连 吉林 抚顺 洛阳 青岛 沧州 中原 东营 镇海 安庆 九江 长岭 河南油田 荆门 茂名 营口 怀化 衡阳 娄底 湘潭 宿州 临沂 淄博 济宁 驻马店 许昌 柳州 荆州 湛江 株州 温州 枣庄 大港 锦州 高栏岛 抚郑成品油管道长度 1558公里规模 1000 1500万吨 年投产时间 2010年 兰郑长成品油管道长度 2148公里规模 1000 1500万吨 年投产时间 2009年 钦州 钦州 南宁管道长度 160公里规模 500万吨 年投产时间 2009年 安徽支线长度 320公里规模 350万吨 年投产时间 2010年 江西支线长度 270公里规模 250万吨 年投产时间 2010年 乐山 成都 乐山管道长度 161公里规模 300万吨 年投产时间 2010年 昆明 大理 昆明 红河长度 320 240公里规模 250 240万吨 年投产时间 2012年 昆明 贵阳长度 600公里规模 200万吨 年投产时间 2012年 广东省成品油管网长度 550公里规模 1000万吨 年投产时间 2013年 韶关 台州 浙江省成品油管网长度 420公里规模 500万吨 年投产时间 2015年 天津 大港管道长度 60公里规模 200万吨 年投产时间 2012年 南宁 柳州管道长度 260公里规模 300万吨 年投产时间 2015年 山东省内成吕油管道长度 650公里规模 300万吨 年投产时间 2013年 内江 宜宾管道长度 113公里规模 100万吨 年投产时间 2011年 宜宾 内江 2015年成品油管道布局图 5 天然气管网现状图 阿拉山口 克拉玛依 彩南 独山子 塔中 轮南 库尔勒 鄯善 花土沟 格尔木 中宁 靖边 庆阳 赛汉塔拉 阿尔善 房山 德州 大庆 铁岭 鞍山 大连 吉林 抚顺 博爱 青岛 沧州 濮阳 东营 宁波 安庆 九江 茂名 营口 大理 怀化 衡阳 湘潭 临沂 淄博 济宁 驻马店 柳州 淮安 襄樊 孝感 盐城 萍乡 上饶 瑞安 樟树 瑞金 韶关 桂林 和田 塔河 轮台 包头 邯郸 宝鸡 涩北 敦煌 柳园 江油 南充 安阳 依兰 陕京二线能力 102亿方 年 陕京线能力 30亿方 年 涩宁兰管线能力 34亿方 年 川渝管网能力 145亿方 年 忠武线能力 19亿方 年 冀宁线能力 20亿方 年 西气东输管道东段能力 120亿方 年西段能力 170亿方 年 兰银管线能力 16亿方 年 淮武联络线能力 15亿方 年 庆哈线能力 50亿方 年 长宁线能力 10亿方 年 现有管线输气能力 6 中国石油2015年管网布局 阿拉山口 克拉玛依 彩南 独山子 塔中 轮南 库尔勒 鄯善 花土沟 格尔木 中宁 靖边 庆阳 赛汉塔拉 阿尔善 房山 德州 大庆 铁岭 鞍山 大连 吉林 抚顺 博爱 青岛 沧州 濮阳 东营 宁波 安庆 九江 茂名 营口 大理 怀化 衡阳 湘潭 临沂 淄博 济宁 驻马店 柳州 淮安 襄樊 孝感 盐城 萍乡 上饶 瑞安 樟树 瑞金 韶关 桂林 和田 塔河 轮台 包头 邯郸 宝鸡 涩北 敦煌 江油 都江堰 南充 安阳 依兰 卡拉迪尔达坂 黑河 哈萨克斯坦和土库曼斯坦来气 满洲里 霍尔果斯 秦皇岛 红柳 龙岗 东北管网 哈尔滨 秦皇岛 长度 980km管径 1016mm压力 10MPa 陕京三线长度 1359km管径 1067 1016mm压力 10MPa 西气东输三线长度 2005km管径 1016mm压力 10MPa 西气东输二线干线长度 4843km管径 1219mm 1016mm压力 12MPa 10MPa支干线长度 4259km 中缅管道 皎漂 贵阳 南宁 长度 2806km管径 1016mm压力 10MPa 东北管网 沈阳 大连支线 长度 401km管径 711mm压力 10MPa 格拉管道长度 1200km管径 508mm压力 10MPa 永唐秦管道 包括冀东外输管道 长度 450km管径 1016mm压力 10MPa 平顶山 烟台长度 1009km管径 1016mm压力 10MPa 龙岗南下管道长度 655km管径 1016mm压力 10MPa 7 西气东输二线管道干线及主要支干线总长9102km 主干线4844km 采用X80管线钢 管径1219mm 输送压力12MPa 是世界上目前综合技术指标最高的管道工程 8 西气东输二线和一线工程指标对比 9 天然气管道输送技术发展迅速 高压输送及富气输送工艺技术X80 X100及X120管线钢的冶炼 轧制与焊接技术高压管道用螺旋焊管和直缝焊管制造技术各种恶劣环境下的管道机械化施工技术与装备大型天然气压缩站的设计技术输气管道用大型旋转设备及制造技术高压天然气管道与管网的自动控制技术 10 天然气管线发展特点 高钢级 X70 X80及抗大变形钢高压 10MPa以上大口径 1000mm以上高设计系数 0 8高试压应力 0 95屈服应力同沟敷设 油 气 气管线建设成本 管道钢级发展 11 最高强度试压压力的对比 由此可见 国际上倾向于高强度水试压 我国的最高强度试压压力偏低 12 X70钢屈服强度分布 不同生产厂家的X70屈服强度对比 13 基于可靠性的管道设计系数 14 基于可靠性的管道设计系数 管材屈服强度分布 管道壁厚设计 15 基于可靠性的管道设计系数 结构极限状态的定义为 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足结构的某一功能要求 此特定状态为该功能的极限状态 极限状态Z 0 可靠区域Z 0 失效区域Z 0 R S 16 可靠性的计算原理 正态分布情况下 17 德国NDGEPA规定了在事故载荷作用下的管线缺陷可接受的概率为10 4 km年 可靠性的设计方法意指失效概率应该等于或小于要求的目标安全水平 即目标失效概率 18 地质灾害 地震断层滑移泥石流滑坡采空区冻土洪水 19 弹性极限设计 基于应力的设计方法 X80应力应变曲线 20 基于应变的设计 允许材料进入弹塑性状态 21 基于应变的强度设计适用条件 对于纯弹性构件而言 基于应力的强度设计和基于应变的强度设计是相同的 因此基于应变的强度设计一定是针对处于弹塑性状态的构件而言的 基于应变的强度设计即要求构件受载时的最大应变小于某一许可值 即要求材料应变不能使其达到危险状态 如拉断 屈曲 而且其载荷特性一定是位移控制的 因此基于应变的强度设计方法适用情况为 1 受位移控制的载荷作用 2 该载荷一定会造成构件进入弹塑性状态 3 过大的应变会使构件达到某种工程中不允许的危险状态 22 基于应变的强度设计与基于应力的强度设计关系 基于应变的强度设计不能代替基于应力的强度设计适合特定载荷条件是基于应力的强度设计的补充 23 基于应变设计不能代替基于应力的设计 内压为主载荷 钢级和壁厚取决于环向应力 基于应力的设计准则 位移控制载荷 特定载荷下拉裂 屈曲 基于应变的设计准则 24 基于应变的设计方法 基于应力的设计 基于应变的设计 问题 如何确定 25 基于应变的设计方法 与材料特性 焊接 缺陷 失效形式相关试验测试 计算 与载荷 结构 失效形式相关计算 试验测试 与风险 经济性相关标准制定 26 国外管道基于应变设计的现行规范 27 基于应变的管道设计考虑的失效方式 局部屈曲 椭圆化 断裂 28 管道极限应变与设计准则 管道极限应变宽板试验准备 X80直焊缝管材 1016 18 5mm母材 焊材按采用不同匹配 总尺寸为1600 380mm测试区尺寸为1200 300mm X60直焊缝管材 762 9 5mm总尺寸为1600 380mm 1340 330mm测试区尺寸1200 300mm 1000 250mm有无焊接缺陷 不同焊接尺寸缺陷试样共72个 29 埋地管道轴向容许应变 1容许拉伸应变 2容许压缩应变 30 基于应变的设计流程 31 穿越断层应变计算及抗震设计 断层类型 32 项目总述 通过对管道结构的合理设计 使地震发生时的管道实际应变小于管材的许可应变 基于应变的管道设计 主要包括三方面的内容 建立地震发生时受土壤约束的管道实际应变的计算方法 根据管材力学特性和管道可能的失效方式建立管道应变设计准则 研究穿越断层的管道抗震技术 33 项目总述 管道应变计算 根据1984ASCE管线抗震设计指南 最新实验结果及工程经验 确定轴向 水平侧向及竖直方向管土相互作用参数 建立 比较和完善管道穿越活动断层的力学计算模型并进行应变计算 应变设计准则 根据国产X 80管材力学特性进行有限元数值模拟 提出在不同载荷条件下 指地震波和永久性大地面变形 X 80管材的应变设计准则 抗震设防措施 针对断层位移地质灾害的管道抗震措施研究 特别是管沟及回填方式 研究内容 34 穿越断层应变计算及抗震设计 西气东输二线管道结构管径1219mm 输送压力12MPa X80管材 HD1和HD2 壁厚22mm 埋深2 5m 穿越断层管道应变计算及抗震设计 35 穿越断层应变计算及抗震设计 西段干线相交全新世活动断裂几何学 运动学参数 36 穿越断层应变计算及抗震设计 常见埋地管道的破坏模式 管道压曲后被拉裂 管道局部屈曲 37 穿越断层应变计算及抗震设计 断层位移分量计算 有水平位移 s和垂直位移 p的断层活动的位移分量 38 穿越断层应变计算及抗震设计 喀什河断裂位移分量 m 39 穿越断层应变计算及抗震设计 管材应力 应变特性 40 穿越断层应变计算及抗震设计 管材应力 应变特性 Ramberg Osgood关系式 为工程应变 为应力E为弹性模量 y为屈服应力n和r为Ramberg Osgood参数 常用管线钢Ramberg Osgood参数 41 穿越断层应变计算及抗震设计 解析公式 受拉断层的Kennedy法 有限元法梁单元 土弹簧管 弯管 单元 土弹簧 中国石油大学 壳单元 三维实体单元 管道工程公司 常用软件ABAQUSANSYS 应变计算方法 42 穿越断层应变计算及抗震设计 有限元模型 管 弯管 土弹簧模型 ASCE土弹簧刚度 43 穿越断层应变计算及抗震设计 ASCE土弹簧刚度 轴向 水平侧向 垂直竖向 44 穿越断层应变计算及抗震设计 有限元计算模型 断层附近200米采用弯管 Elbow 单元 其它采用管单元 断层一侧土弹簧固定 另一侧土弹簧随地面运动 穿越受压断层时管道的应变分布 45 穿越断层应变计算及抗震设计 管道应力应变计算结果 喀什河断裂管道应力分布 喀什河断裂管道应变分布 管底 喀什河断裂管道应变分布 管顶 46 穿越断层应变计算及抗震设计 管道应力应变计算结果 管顶管底侧边喀什河断裂管道应变分布管道应变幅值出现在断层两侧20米范围内管道的最大拉伸应变为1 34 最大压缩应变为 0 15 47 穿越断层应变计算及抗震设计 管道应变计算结果比较 喀什河断裂管道应变分布 48 穿越断层应变计算及抗震设计 管道应变的影响因素 单因素分析 管材特性 HD1 管道壁厚 22mm 穿越角度 管道埋深 2 5m 管沟尺寸及形状 回填土力学性质 49 穿越断层应变计算及抗震设计 穿越角度 喀什河断裂管道应变理想角度为62度左右 博罗科努断裂管道应变理想角度为75 80度 王家沟断裂管道应变角度不宜大于40度 50 穿越断层应变计算及抗震设计 管道壁厚 壁厚对管道拉应变的影响 喀什河断裂 壁厚对管道压应变的影响 喀什河断裂 51 穿越断层应变计算及抗震设计 管道埋深 喀什河 埋深对管道压应变的影响 埋深对管道拉应变的影响 考虑冻土层深度 喀什河断裂管道最佳埋深为1 9米 52 穿越断层应变计算及抗震设计 管道埋深 博罗科努 考虑冻土层深度 博罗科努断裂管道最佳埋深为1 8米 埋深对管道拉应变的影响 埋深对管道压应变的影响 53 穿越断层应变计算及抗震设计 管道埋深 王家沟 考虑冻土层深度 王家沟断裂管道最佳埋深为1 8米 埋深对管道拉应变的影响 埋深对管道压应变的影响 54 穿越断层应变计算及抗震设计 钢材特性 以喀什河断裂为例 抗大变形管线钢 高屈服应力小屈强比 15 55 穿越断层应变计算及抗震设计 土弹簧刚度 以喀什河断裂为例 对管道压应变的影响 对管道拉应变的影响 56 穿越断层应变计算及抗震设计 管沟底部宽度 喀什河 喀什河断裂 博罗科努断裂 王家沟断裂 57 穿越断层应变计算及抗震设计 管沟坡度 喀什河 博罗科努 王家沟 58 穿越断层应变计算及抗震设计 断裂带带宽 因管道的弯曲刚度和断层类型而不同 表2 2 西气东输二线管道断层断裂带宽5米 对管道应变基本无影响 以喀什河断裂为例 当破裂带带宽为50米时 管道应变1 26 降为0 886 59 穿越断层应变计算及抗震设计 常用抗震工程措施 调整穿越角度 管道壁厚 管道埋深 钢材特性及侧向土弹簧刚度等因素减少管道应变 选择合适穿越角度 宜为30 70 不得大于90 置换土 沙土回填 宜采用疏松无粘性的砂土 且细砂含量不应超过30 宽管沟与边坡坡度 采用宽浅沟敷设 对以水平走滑为主的断层 在断裂带及其两侧400m内应增大沟宽 管沟宽度宜大于沿管道法线方向的断层水平位移 管沟坡度宜小于等于30 增加壁厚 在滑动长度内管道直径或壁厚不应变化 不应设弯头 三通 旁通和阀门 不宜设置固定墩等部件 采用延性较好的钢 增加其抗应变的性能 适当控制埋深 浅埋 不埋或土堤敷设 60 地质灾害分布 重大地质灾害事件屡屡发生四川 重庆 云南 贵州 湖北 甘肃 宁夏和陕西等省为滑坡高密度区 根据地貌格局 物质组成及区域构造过程 中国境内可归纳出三个重大灾变地质灾害发育区 青藏高原东南区 云贵高原区与黄土高原地区 61 滑坡是山区常见的地质灾害 也是对管道危害严重的地质灾害之一 滑坡作用下管道安全 2005年3月28日 忠武管道忠县水平清管站滑坡 62 2007年4月1日 忠武管道黄水滑坡 滑坡作用下管道安全 63 2007年4月1日忠武管道杆拱桥沟泥石流冲刷 2007年4月1日忠武管道杆拱桥沟泥石流冲刷 管道防护层损伤 64 管道受滑坡纵向力力学模型 管道受滑坡横向力力学模型 滑坡与管道相互作用可以总结出两种典型的模型 管道受滑坡横向力作用模型管道受滑坡纵向力作用模型 滑坡作用下管道安全 65 一 国内外研究现状 石油开发向海洋 深层 高温高压 低渗透 高寒极地 新能源 页岩气 水合物等 发展 我国的多年冻土面积占国土陆地面积的21 5 季节冻土分布面积占53 5 是世界第三冻土大国 分布在东北 西北 青藏高原等地区 66 一 国内外研究现状 漠大线经过大兴安岭多年冻土区约510km 季节冻土区465km 直径813毫米 12 17 5mm L450直缝焊管 常温输送 8 10MPa 介质为含硫俄油 67 一 国内外研究现状 2009年5月18日漠大线正式开工 计划2010年10月底建成 68 一 国内外研究现状 青藏输气管道全长1365公里 设计输气能力每年12亿方 设计压力10 0兆帕 管道起点位于柴达木盆地台南气田15号集气脱水站 途经青藏高原500多公里长的永久冻土和季节性冻土区 经过东昆仑地震活动断裂带 谷露西缘断裂带 当雄 羊八井断裂带等地 最后到达西藏自治区首府拉萨市 工程起点和终点各建一个输气站 沿途建设八座清管站和一座分输站 格拉成品油管线于1972年开始设计 1973年动工 1976年11月试输油到拉萨 1977年8月基本建成投产 管道全长1080公里 共设泵站11座 分输站1座 在终点拉萨建成石油成品储存库 管道海拔很高 冬季有些地段常 40 以下的低温 并有560公里经过常年冻土带 需采取防冻措施 加强维修保养 69 一 国内外研究现状 冻土地下厚冰层 70 一 国内外研究现状 冰椎 冻胀丘 主要不良冻土现象 71 一 国内外研究现状 72 一 国内外研究现状 NormanWells输油管道冻胀翘曲 格拉输油管道冻胀翘曲 东北铁路侧埋地排水管 73 一 国内外研究现状 国内外代表性穿越冻土管道1 国外管道美国阿拉斯加原油管道 穿越多年冻土区最大的工程项目加拿大西北部的诺曼韦尔斯 Normanwells 原油管道2 国内管道格拉管道560km位于冻结期长达8个月的多年冻土区 投运以来多次发生事故在建漠大线原油管道经过大兴安岭多年冻土区约510km 季节冻土区465km 青藏天然气管道途经青藏高原500多公里长的永久冻土和季节性冻土区 74 美国阿拉斯加热输管道是穿越多年冻土区最大的工程项目 为避免管道周围土壤融化和抗震 项目设计将埋地铺设改为架空铺设 a 地震前 b 地震后阿拉斯加管道穿越迪纳利断层处 7 9大地震 断层位移14 一 国内外研究现状 75 一 国内外研究现状 NormanWells输油管道冻胀翘曲 76 一 研究目的 意义及国内外现状 存在的问题冻土区的输油管道运行过程中冻融土不断产生冻胀和融沉 此时管道所承受的是土壤的位移控制载荷 基于应变的设计方法应该更适合作为管道强度设计方法 中俄输油管道工程设计 施工中并未特别考虑基于应变的方法 青藏线 有必要对穿越冻土区管道进行基于应变设计方法研究 保障管道安全 77 二 研究目标和主要研究内容 2 研究内容 1 掌握冻土区管道周围土体冻融变化规律 根据青藏线沿线冻土相关资料 掌握冰锥 冻胀丘发育地段及其过渡地段 斜坡地段的冻土基本特征 根据冻土区管道周边温度场分布及其变化规律 深入了解不同地段管道影响范围土体的冻胀和融沉及其位移的基本特征和规律 2 冻土区管 土相互作用规律及管道应变计算 研究管道周围土体冻胀 融沉时土体与管道之间相互作用规律 不同地段输油管道在周围土体冻胀 融沉时的管道应变分析及其影响因素 冻胀区域管道的屈曲分析 78 二 研究目标和主要研究内容 3 冻土区管道极限应变确定 穿越冻土区管道的失效行为和极限状态 研究管道极限应变的主要控制因素 借鉴已有的管道极限应变研究成果 确定冻土地区管道极限应变 4 建立冻土区管道基于应变的设计方法及应用 建立穿越冻土区管段基于应变的设计方法 青藏管道工程的应用 关键技术冻胀及融沉状态下管 土相互作用关系 冻胀及融沉状态下管道应变计算方法 79 ProjectinAustraliawithspecialanchorsystems ProjectinAngola 铺管实例 80 海管的结构形式 管束 双层管 管中管 81 82 海底管道铺设工艺 一 海底管道铺设工艺1 按施工工艺划分1 S形铺管适用于浅水区域采用托管架进行铺设管线在着泥点前轨迹呈S型2 J形铺管适用于深水区域垂直铺设管线管线在着泥点前轨迹呈J型3 卷管法4 底拖法5 离底拖法6 浮拖法 83 海底管道铺设工艺 S LAYS形铺管法 84 schematicpipeloading pipelayprocess 85 J LAYJ形铺管法 海底管道铺设工艺 86 JLayBarge 87 海底管道铺设工艺 REEL LAY卷管法 88 ReelingBarge 89 ReelingProcess 90 卷管铺管技术 91 海底管道安装工艺 二 海底管道安装过程1 管线路由预调查在正式施工前一个月对施工现场海底作进一步调查 主要目的是调查管线路由和作业区域有无障碍物影响施工 测量水深 对比海床是否变化 主要设备 支持船旁测声纳单波束测深仪高分辨率浅地层剖面仪2 管线装船管线 海管施工附件及其它材料装船 主要设备 大型驳船码头吊或浮吊管线运输平板车 92 3 平管铺设A起始铺设1 在导管架上连接起始缆或抛起始锚2 将起始缆与管线起始端连接3 管线焊接接长 同时向前绞船直至管线起始端着泥B正常铺设沿管线路由铺设海管工序 海管接点组对焊接检验接点防腐处理浇灌玛蹄脂 单层水泥配重管 海底管道安装工艺 93 C终止铺设在管线终止端焊接终止铺设封头 完成张紧器与A R绞车的张力转换后进行终止铺设 直到管线终止端着泥 深水管线终止铺设时管线终止端一般采用信标 BEACON 进行水下定位 主要设备 铺管船驳船对管器 外对管卡子或内对管器 焊接设备无损探伤检测设备 RT AUT等 GPS定位设备三用拖轮空气潜水设备 浅水 饱和潜水设备ROVUSBL 深水 海底管