一種基于CAESARⅡ的埋地輸油管道熱煨彎頭危險(xiǎn)角度及安全防護(hù)措施
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作者：鄭曉敏
架空管道失效的主要原因是設(shè)計(jì)跨距過(guò)大，造成管道垮塌，埋地輸油管道受到土壤的自然錨固作用，其失效形式主要表現(xiàn)為溫差應(yīng)力引發(fā)的軸向失穩(wěn)、熱拱或因土體力學(xué)特性改變引發(fā)的應(yīng)力集中。因此輸油管道在投產(chǎn)階段，經(jīng)常發(fā)生彎頭強(qiáng)度破壞、起拱露出地面或壓癟破壞。在阿爾善一賽漢塔拉輸油管道增輸改造項(xiàng)目線(xiàn)路設(shè)計(jì)中，管線(xiàn)需穿越多年凍土層，運(yùn)行溫度較高，管線(xiàn)承受的溫差載荷較大，彎頭處柔性值較高，在內(nèi)壓和溫差共同作用下直管段的軸向變形易向彎頭處積聚，導(dǎo)致彎頭處承受彎矩過(guò)大，應(yīng)力超標(biāo)，需對(duì)這種可能造成彎頭破壞或發(fā)生嚴(yán)重變形的情況采取相關(guān)措施。
彎頭的強(qiáng)度計(jì)算是否符合要求還跟彎頭的角度有關(guān)，若將彎頭容易不滿(mǎn)足應(yīng)力計(jì)算要求的角度稱(chēng)為危險(xiǎn)角度，該范圍內(nèi)彎頭失效的情況將時(shí)有發(fā)生，阿賽線(xiàn)熱油管道沿線(xiàn)地形行對(duì)起伏（見(jiàn)圖1），使用熱煨彎頭較多，因此，探究熱煨彎頭危險(xiǎn)角度且采取相應(yīng)保護(hù)措施對(duì)管道運(yùn)行安全十分必要。利用CAESARⅡ軟件建立管道與土壤作用模型，并以阿賽線(xiàn)埋地輸油管道增輸改造項(xiàng)目為例，對(duì)其中埋地彎頭進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析管道自重及液重、壓力、以及溫差等產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)管道的影響，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行彎頭防護(hù)措施的探究。
1 計(jì)算模型及標(biāo)準(zhǔn)
1.1 理論模型
1.1.1 彎頭模型
埋地?zé)嵊凸艿罍囟劝l(fā)生變化時(shí)，彎頭處將受到熱脹彎矩的作用，將發(fā)生橫向位移。為簡(jiǎn)化熱煨彎頭的理論研究過(guò)程，采用彈性抗彎鉸模型。
1.1.2管道一土壤相互作用模型
管道沿線(xiàn)除大型穿跨越工程外，均采用溝埋方式敷設(shè)，熱油管道及彎頭埋設(shè)在土中，當(dāng)彎頭因升溫而產(chǎn)生彎曲變形時(shí)，將引起彎管及兩側(cè)一定長(zhǎng)度的直管段發(fā)生橫向位移，土壤受管道橫向位移的壓縮將給與管道反作用力：
式中：F為土壤給管道的單位長(zhǎng)度上的反作用力，N/m；D為管道直徑，m；Ko為土壤的側(cè)向壓縮反力系數(shù)（表示土壤被管道橫向推移單位距離時(shí)，在垂直于推移方向的單位面積上土壤給出的反作用力），kN／m3；r為管道的橫向位移，即管道在水平面內(nèi)彎曲的撓度，m。
在埋地管道的出土過(guò)渡段，埋地彎頭兩側(cè)一定長(zhǎng)度的直管段將發(fā)生軸向位移，只有當(dāng)摩擦力逐漸積累到足以完全限制其軸向位移時(shí)，管道才被嵌固住。
1.2應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)標(biāo)和ASME系列標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，當(dāng)彎頭處由內(nèi)壓產(chǎn)生的一次環(huán)向應(yīng)力小于許用應(yīng)力時(shí)，熱脹彎矩產(chǎn)生的二次應(yīng)力與一次應(yīng)力之后應(yīng)滿(mǎn)足：
式中：P為設(shè)計(jì)壓力，MPa；d為彎頭內(nèi)徑，mm；6。為彎管壁厚，mm；[盯]為許用應(yīng)力，MPa，d；矗為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，取0. 72；p為焊縫系數(shù)，取1；盯。為屈服強(qiáng)度，取360MPa；Uh為內(nèi)壓產(chǎn)生的一次環(huán)向應(yīng)力，MPa；Uh。。。為熱脹彎矩產(chǎn)生的二次環(huán)向應(yīng)力，MPa。
經(jīng)計(jì)算，管線(xiàn)彎頭處由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足一次應(yīng)力校核，具體結(jié)果見(jiàn)表1。
2 彎頭應(yīng)力數(shù)值計(jì)算
2.1 基本參數(shù)和參照標(biāo)準(zhǔn)
彎頭所受應(yīng)力主要包括：環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、剪應(yīng)力和徑向應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力由內(nèi)壓引起，方向垂直于軸向，平行于管壁圓周的切線(xiàn)。軸向應(yīng)力是平行于管軸的正應(yīng)力，剪應(yīng)力是作用在于材料晶體結(jié)構(gòu)平面相平行的方向，并且可能使晶體毗鄰的平面相互產(chǎn)生滑動(dòng)趨勢(shì)的多種載荷，徑向應(yīng)力由內(nèi)壓引起方向平行于管子半徑。阿賽線(xiàn)埋地輸油管道增輸改造項(xiàng)目中埋地管道彎頭應(yīng)力校核主要參照《pipeline Transportation Systems for Hydrocarbons andOther Liquid》ASME B31.4規(guī)程。
為研究溫度、壓力因素對(duì)不同角度的彎頭應(yīng)力的影響，忽略風(fēng)載、地震等因素，主要考察操作工況下組合應(yīng)力的情況，即[OPE]L1=W+T+P，模型分為水平彎頭和縱向彎頭，材質(zhì)為API X52，管徑273.1mm，壁厚7.1mm，管線(xiàn)設(shè)計(jì)壓力為6.3MPa，保溫層厚度40mm，原油密度860kg/m3，安裝溫度一5℃，操作溫度取較高溫度70。C，管道采用粉土和粉砂回填，摩擦系數(shù)取0. 55，內(nèi)摩擦角300，其中水平彎頭兩側(cè)直管段長(zhǎng)度分別為220m、160m，埋深1. 5m，縱向彎頭為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，設(shè)計(jì)上彎彎頭與下彎彎頭連接，上彎彎頭左側(cè)水平段長(zhǎng)度316m，縱向上彎彎頭與縱向下彎彎頭間距12m，縱向下彎彎頭右側(cè)水平長(zhǎng)度312m。
2.2模擬計(jì)算過(guò)程
為準(zhǔn)確模擬土壤與管道彎頭的相互作用，需將彎頭模型設(shè)置為3部分：彎頭附近的塑性應(yīng)變區(qū)域，距離彎頭中心稍遠(yuǎn)的彈性應(yīng)變區(qū)域，距離彎頭中心較遠(yuǎn)被土壤完全錨固的無(wú)應(yīng)變區(qū)域。CAESARⅡ軟件將會(huì)自動(dòng)完成塑性應(yīng)變區(qū)域土壤約束間距較小，而無(wú)應(yīng)變區(qū)域土壤約束間距稍大的設(shè)置。阿賽線(xiàn)埋地輸油管道增輸改造項(xiàng)目中，冷彎彎管的角度范圍為4°~ 20°，曲率半徑為40D（D為管道外徑）。經(jīng)核算，管道冷彎彎管在4°~ 20°角度范圍水平及縱向組合應(yīng)力均不超過(guò)許用應(yīng)力的0.9倍，因此，在施工期間現(xiàn)場(chǎng)彎制冷彎彎管時(shí)，在保證按照技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求進(jìn)行的條件下，危險(xiǎn)角度在冷彎彎管角度范圍內(nèi)可不予考慮。在該管徑壓力條件下，熱煨彎頭角度設(shè)置為20°~ 90°范圍。
20°~ 90°熱煨彎頭加載土壤荷前后圖片如圖2、圖3所示。
對(duì)20°~ 90°系列的水平熱煨彎頭(曲率半徑為6D)進(jìn)行組合應(yīng)力的計(jì)算，CAESARII的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。
由于熱煨彎頭許用應(yīng)力為0.9以= 324MPa，可見(jiàn)本工程水平熱煨彎頭在200~ 600范圍內(nèi)組合應(yīng)力超標(biāo)。縱向熱煨彎頭在20°~ 40°范圍內(nèi)組合應(yīng)力超標(biāo)集中。對(duì)于該范圍內(nèi)的危險(xiǎn)角度，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的安全防護(hù)措施分析，減少或避免彎頭的破壞。
3彎頭安全防護(hù)措施分析
在設(shè)計(jì)壓力、管徑、壁厚確定的條件下，分別考察不同彎頭曲率半徑、埋深、土壤特性對(duì)管道應(yīng)力結(jié)果的影響。嘗試降低組合應(yīng)力，考慮對(duì)熱煨彎頭曲率半徑進(jìn)行調(diào)整，6D調(diào)整為8D，或采用部分熱煨彎頭不回填，重新計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)圖5。
由圖5可知，調(diào)整曲率半徑至8D后對(duì)于組合應(yīng)力值的改善效果不明顯。
依據(jù)以往熱油管道工程施工經(jīng)驗(yàn)，將水平彎頭兩側(cè)部分管段先不進(jìn)行回填處理，待應(yīng)力釋放全完后再行回填。通過(guò)控制其他因素后，考察該工況下彎頭組合應(yīng)力情況表明：暫不回填處理可有效降低彎頭處的組合應(yīng)力，因此建議施工時(shí)，水平熱煨彎頭處的管段一定長(zhǎng)度先不進(jìn)行回填，待完全變形后再進(jìn)行回填。
為了降低組合應(yīng)力，考慮施工時(shí)，縱向熱煨彎頭處的管段一定長(zhǎng)度先不進(jìn)行回填，待完全變形后再進(jìn)行回填。通過(guò)圖5與表2的結(jié)合分析可知：20�？v向熱煨彎頭兩側(cè)不回填長(zhǎng)度對(duì)管道應(yīng)力校核影響極小，不回填長(zhǎng)度達(dá)到20m以上方能通過(guò)應(yīng)力校核條件。30°與40°水平和縱向熱煨彎頭兩側(cè)不回填最小長(zhǎng)度均不大于10m即可滿(mǎn)足應(yīng)力校核條件。
4 結(jié)論與建議
利用CAESARⅡ土壤模型對(duì)阿賽線(xiàn)埋地輸油管道增輸改造項(xiàng)目中埋地彎頭進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬了熱煨彎頭應(yīng)力計(jì)算過(guò)程，通過(guò)分析可知主要結(jié)論如下：
1)阿賽線(xiàn)水平和縱向熱煨彎頭利用兩側(cè)不回填的方式釋放管道對(duì)彎頭的推力效果明顯，而調(diào)整管道曲率半徑對(duì)減小彎頭應(yīng)力效果不明顯。
2) 200～400范圍為水平和縱向彎頭組合應(yīng)力超標(biāo)集中區(qū)域，因此在管道工程設(shè)計(jì)初期應(yīng)盡量避免上述角度，用冷彎彎管代替或其他方式減少熱煨危險(xiǎn)角度的存在。
3)水平熱煨彎頭應(yīng)盡量避讓20°~ 60°，縱向熱煨彎頭應(yīng)盡量避讓20°~ 40°，對(duì)于非危險(xiǎn)角度的彎頭建議按照施工技術(shù)要求實(shí)施即可。
鑒于進(jìn)出站工況相對(duì)復(fù)雜，在進(jìn)行該處熱煨彎頭的計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮加設(shè)固定墩和暫不回填處理等措施的綜合運(yùn)用。摘要：輸油管道危險(xiǎn)角度范圍的熱煨彎頭容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致彎頭失效，因此有必要探討熱煨彎頭的危險(xiǎn)角度。利用CAESARⅡ軟件，采用建立管道與土壤相互作用模型的方法，以阿賽線(xiàn)埋地輸油管道增輸改造項(xiàng)目為例，對(duì)其中埋地?zé)犰袕濐^進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)模擬分析可知，阿賽線(xiàn)水平和縱向熱煨彎頭危險(xiǎn)角度集中在20。~ 40。范圍內(nèi)，采用兩側(cè)不回填的方式釋放管道對(duì)彎頭的推力效果明顯，而調(diào)整管道曲率半徑對(duì)減小彎頭應(yīng)力效果不明顯，因此應(yīng)減少危險(xiǎn)角度范圍的熱煨彎頭使用，并采用不回填的方式減小彎頭應(yīng)力。
5摘要：輸油管道危險(xiǎn)角度范圍的熱煨彎頭容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致彎頭失效，因此有必要探討熱煨彎頭的危險(xiǎn)角度。利用CAESARⅡ軟件，采用建立管道與土壤相互作用模型的方法，以阿賽線(xiàn)埋地輸油管道增輸改造項(xiàng)目為例，對(duì)其中埋地?zé)犰袕濐^進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)模擬分析可知，阿賽線(xiàn)水平和縱向熱煨彎頭危險(xiǎn)角度集中在20。~ 40。范圍內(nèi)，采用兩側(cè)不回填的方式釋放管道對(duì)彎頭的推力效果明顯，而調(diào)整管道曲率半徑對(duì)減小彎頭應(yīng)力效果不明顯，因此應(yīng)減少危險(xiǎn)角度范圍的熱煨彎頭使用，并采用不回填的方式減小彎頭應(yīng)力。
