淺析穿越水域輸氣管道裸露懸空段的應(yīng)力敏感性
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：鄭曉敏
對于穿越水域輸氣管道裸露懸空段的研究，蒲愛華等采用平穩(wěn)二項隨機過程作為概率模型，針對三種水下穿越管道的服役狀態(tài)，計算出管道的可變荷載；王海蘭等運用有限元軟件對洪水沖擊輸油管道進行模擬，得到水沖懸空管道危險點的位置；姚安林等利用有限元軟件模擬分析高速水流沖擊下的懸空管道，得到不同水流速度作用下管道發(fā)生破壞的臨界懸空長度。以上學(xué)者對裸露懸空管段進行應(yīng)力分析或管道臨界狀態(tài)的研究，但均未對管道應(yīng)力的敏感性進行分析。鑒于此，筆者通過應(yīng)用Workbench軟件，對水流和管道進行流固耦合，計算并分析管道應(yīng)力分布，綜合考慮影響裸露懸空管段的各主要因素，比較分析管道應(yīng)力對各因素的敏感性，以期為穿越水域輸氣管道裸露懸空段的風(fēng)險評估、工程設(shè)計和防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)。
1 裸露懸空管段的有限元模型
裸露懸空管段是指由于洪水的沖刷，埋地敷設(shè)的輸氣管道與河床不發(fā)生直接接觸的裸露懸跨管段。水流沖刷河床與水流下切作用，造成管道局部裸露懸空，管道物理模型如圖1所示。以實際工程為例，管道管材為X70鋼，彈性模量為210GPa，屈服強度為485MPa，管材密度為7 850kg/m3，裸露懸空管段的主要參數(shù)如表1所示。
由雷諾數(shù)公式Re=puD/ru,，可以計算該管段周圍水流處于湍流。輸氣管道輸送溫度一般為常溫，且懸空管段位于水中，溫度變化不大。由于水的動力粘滯系數(shù)對壓力計算結(jié)果影響很小，故近似取在20℃下的動力粘滯系數(shù)u為1. 005×10-3 Pa．S。為了使管后流場充分發(fā)展，設(shè)定管后流體區(qū)域長度為管前的5倍，計算模型如圖2所示。
利用ANSYS Workbench的幾何單元建立有限元模型如圖3所示，首先建立流體域模型，將管道附近流體建立加細網(wǎng)格區(qū)域，并定義靠近管道的平面入口面。
采用FLUENT模擬水流沖擊下的懸空裸露管道。假設(shè)水流均勻，入口面采用速度人口，出口面是自由梯度出口，上邊界和下邊界分別設(shè)定為固壁。采用非穩(wěn)態(tài)RNGk-s模型模擬漩渦，采用SIMPLE算法對壓力速度進行耦合，湍動能和湍流耗散率設(shè)置為二階精度，計算收斂精度設(shè)為10一。根據(jù)計算結(jié)果可知，管道周圍流場參數(shù)梯度變化較大，提取裸露懸空管段中點截面流場圖4所示。
懸空管段在水流的作用下，管道周圍壓力梯度變化較大，沿z軸方向，管道迎水面受到水流作用力大于背水面，沿y軸方向，管道上下面受力較小。
進入Static Structural模塊，建立管道模型，假設(shè)管道呈水平布設(shè)，表面無缺陷，不考慮地震及溫度變化的影響；將埋地管段受到的土壤支反力用一定間距的若干根彈簧代替，彈簧與管周圍表面呈點一面接觸，彈簧的剛度和自由度由填覆土質(zhì)決定。設(shè)定埋地管段長度為裸露懸空管段的一半，使管道模型兩端近似固支。
在懸空長度為40m的條件下，管道Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。管道最大Mises應(yīng)力值為385MPa，在裸露懸空管段中點管道位移量最大，在管道的兩端及中點出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中。由于管道最大Mises應(yīng)力值小于管材屈服極限485MPa,故管道處于安全運行狀態(tài)。
2 裸露懸空管段應(yīng)力敏感性分析
敏感性分析是一種應(yīng)用于技術(shù)經(jīng)濟領(lǐng)域的可行性分析方法。而對于管道應(yīng)力的敏感性分析，在影響管道應(yīng)力的因素不確定時，分析其中一個或多個因素變化對管道應(yīng)力的影響程度，以確定影響管道安全運行的主要因素及其重要性。
2.1 敏感性因素的選擇
基于對水流沖擊下裸露懸空管段應(yīng)力的計算分析，影響管道應(yīng)力的主要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，主要分析管道的徑厚比和管道懸空長度對管道受力的影響；在外部受力方面主要研究水流速度和入土端邊界條件（土彈簧剛度）的影響。
2.2裸露懸空管段應(yīng)力敏感性方法
由于影響穿越水域輸氣管道裸露懸空段應(yīng)力的因素較多，故采用單因素敏感性分析法對管道應(yīng)力進行敏感性分析。為便于定量分析，以上節(jié)實例中的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，分別將各影響因素設(shè)為單一變量，計算管道應(yīng)力值，并根據(jù)由標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)計算出的管道應(yīng)力值，得到該因素變化對應(yīng)的敏感度系數(shù)。敏感度系數(shù)計算公式如下：
式中：E為管道應(yīng)力盯對于影響因素F的敏感度系數(shù)；△cr/o-為影響因素F發(fā)生AF變化時，管道應(yīng)力盯相應(yīng)變化量，%；AF/F為影響因素F的變化量，%。
當(dāng)E大于0時，管道應(yīng)力與影響因素呈同向變化；E小于0時，管道應(yīng)力與影響因素呈反向變化。l E|越大則敏感系數(shù)越高，若敏感度系數(shù)絕對值越高，則該影響因素對目標(biāo)影響程度越大。
2.3各影響因素對管道應(yīng)力的敏感性計算
通過上述數(shù)據(jù)代入軟件模型中計算出參考數(shù)據(jù)下的管道最大Mises應(yīng)力值，再設(shè)定各影響因素變化量為±10%、±20%、±30%、±40%、±50%時，通過Workbench軟件計算管道在運行狀態(tài)下的Mises應(yīng)力值，將分析結(jié)果匯總于敏感性分析表，并繪制敏感性分析圖，結(jié)果如表2和圖6所示。
由表2和圖6可知，各影響因素對管道最大Mi-ses應(yīng)力值的影響程度從大到小依次為徑厚比、懸空長度L，水流速度u、土彈簧剛度K；其中，管道應(yīng)力值與管道徑厚比、懸空長度L、水流速度u呈相同方向變化，與土彈簧剛度呈反方向變化。
通過以上分析可知，管道徑厚比和懸空長度L是影響裸露懸空管段應(yīng)力值的關(guān)鍵因素，根據(jù)公式(1)分別計算管道最大Mises應(yīng)力值對各個影響因素在不同變化量下的敏感度系數(shù)值，計算結(jié)果如圖7所示。
由圖7可知，管道最大Mises應(yīng)力值對于徑厚比的敏感度系數(shù)不受徑厚比變化量大小的影響，其敏感度系數(shù)在0.9左右浮動。隨著懸空長度增加，管道應(yīng)力對懸空長度的敏感度系數(shù)呈非線性上升，其對應(yīng)變化范圍0. 35~0.78，說明當(dāng)管道懸空長度越大，其對于管道應(yīng)力的影響程度增大。同理，隨著水流速度u的增加，管道應(yīng)力對水流速度的敏感度系數(shù)增大，其對應(yīng)變化范圍0. 28~0.47，相較與懸空長度，對管道應(yīng)力的影響程度較小。而對于土彈簧剛度，管道應(yīng)力對其敏感度系數(shù)IEI<0.01，遠小于其余3個影響因素，故未在圖表中表述。
由材料力學(xué)可知，在結(jié)構(gòu)最可能失效點的應(yīng)力值（最大Mises應(yīng)力值）大于屈服強度時，管道材料進入屈服階段，進而發(fā)生管道失效。通過上述分析可知，管道徑厚比和懸空長度兩個參數(shù)最容易造成管道失效。
在實際工程中，管道徑厚比在管道設(shè)計階段已經(jīng)確定，然而隨著管道服役時間的增長，管道因腐蝕而導(dǎo)致壁厚減薄，致使管道徑厚比增大，管道應(yīng)力值增大。故應(yīng)定期對管道壁厚進行檢測，避免裸露懸空管段因徑厚比增大，導(dǎo)致管道應(yīng)力值大于屈服強度而造成斷管事故。
由于裸露懸空管段是因為水流沖刷河床與水流下切作用而形成，懸空長度可能因為水流持續(xù)沖刷覆土而增加，且隨著懸空長度的增加，懸空長度對于管道應(yīng)力的影響程度增大。故可以通過減小管道懸空長度（如管道中間設(shè)置穩(wěn)管樁）來降低管道受力，并且降低其對管道應(yīng)力的影響。
因此，為保證管道的安全運行，需要對以上兩個參數(shù)進行監(jiān)測和控制，并且對敏感性較強的參數(shù)再作進一步的風(fēng)險分析。
3結(jié)論
通過建立穿越水域輸氣管道裸露懸空段力學(xué)模型，應(yīng)用有限元軟件進行水流和管道之間的流固耦合數(shù)值模擬，選擇影響管道受力的主要因素，得到不同影響因素下管道的最大Mises應(yīng)力值，采用單因素敏感性分析法對各個影響因素進行分析，得到以下結(jié)論：
1)管道應(yīng)力值隨著管道徑厚比、懸空長度、水流速度等參數(shù)的增大而增大，隨著土彈簧剛度的增大而減小。
2)識別出管道徑厚比和懸空長度是影響管道應(yīng)力的關(guān)鍵因素，且管道徑厚比對管道應(yīng)力的影響程度更大。
3)對裸露懸空管段應(yīng)力的敏感性分析，在一定程度上定量描述了各個不確定因素變動對管道應(yīng)力的影響，有助于確定影響因素變動對管道安全運行所能允許的程度，從而制定應(yīng)對措施，降低穿越水域輸氣管道裸露懸空管段事故風(fēng)險。
4摘要：為保證穿越水域輸氣管道裸露懸空段的安全運行，需要對裸露懸空段的應(yīng)力進行敏感性分析。根據(jù)流體動力學(xué)和固體力學(xué)理論，利用有限元軟件對水流沖擊下的裸露懸空管段進行流固耦合模擬分析，并找出影響管道受力的主要因素。基于模擬計算結(jié)果，采用單因素敏感性分析法分析各影響因素對管道應(yīng)力的影響程度，計算各敏感度系數(shù)并識別出影響管道應(yīng)力的關(guān)鍵因素。計算結(jié)果表明：裸露懸空管段的徑厚比和懸空長度為影響管道應(yīng)力的關(guān)鍵因素，兩者與管道應(yīng)力同方向變化，且管道應(yīng)力對徑厚比的敏感性相較于其對懸空長度更強。
