地基沉降下管道的有限元应力分析

冷建成，周国强，张国威，吴泽民

（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318） ①

地基沉降下管道的有限元应力分析

冷建成，周国强，张国威，吴泽民

（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318）①

对受地基沉降影响的某膨胀压缩机压缩端进口管道进行静力分析，并探讨了不同地基沉降组合对其应力分布的影响。通过对正常工况下管道的ANSYS有限元模拟，得出薄弱部位在管道下部弯曲处，最大Von Mises等效应力为71.4MPa；通过对管道支墩处和管道与管道法兰连接处等位置4种不同沉降组合下的应力分析，得出管道支墩处单独沉降对管道受力的影响较大，当下沉1.25mm时管道已处于危险状态；不同步沉降对管道的破坏更为严重，沉降量与最大等效应力呈凹形曲面关系。因此，针对敷设在软土地基上的管道，应控制不均匀沉降及过大均匀沉降的发生。基于ANSYS计算得到的高应力区及对地基沉降敏感的受力位置即为实施管道在线监测的重点部位。

管道；地基沉降；有限元；应力

近年来，随着石油天然气工业的迅猛发展，压力管道的应用越来越广泛。由于承载着高压、高温、易燃、易爆、剧毒或腐蚀介质，工作环境十分恶劣，其安全问题显得更加重要。诱发管道安全事故的因素有很多，例如腐蚀、地基不均匀沉降、地震及疲劳脆断等［1－2］。为了防止管道泄漏或破裂等恶性事故的发生，在服役过程中对管线进行在线检／监测，并评价其安全状况是非常必要的。

目前，大型管道的安全检／监测主要侧重于腐蚀和泄漏问题。腐蚀检测包括外检测技术和内检测技术，外检测技术常用的方法有PERSON、DCVG、PCM、CIPS等，内检测技术广泛采用漏磁通检测法和超声波检测法［3］。泄漏检测从传统的质量／体积平衡法、统计决策法、瞬态模型法发展到现代的光纤监测法、音波监测法等［4］，这类方法主要基于管线的压力、温度、流量及震动等物理参数，属于外部检测法。敷设在软土地基上的管道会产生各种沉降变形，按其沉降的方式可分为：均匀沉降和不均匀沉降。当发生地基沉降尤其是不均匀沉降时，管道就有可能发生裂缝、扭曲或倾斜［5］，这方面的研究尚不多见。

本文的目的正是针对敷设在海水回填土地基上的某终端地上管道，通过ANSYS软件分析管道的变形应力分布和沉降位置及大小对其受力的影响，找出管道受力的薄弱部位或应力集中区及对地基沉降量敏感的位置，为实时监测管道形变及确保其安全运行提供理论依据。

1 模型建立

膨胀压缩机是空气分离设备及天然气液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键设备，是保证整套设备稳定运行的心脏，其作用就是利用原料气的压力通过等熵膨胀来获得低温，以进行后续的深冷分离。所研究膨胀压缩机压缩端进口管道的基本参数如表1所示。

表1 膨胀压缩机压缩端进口管道基本参数

根据管道的结构尺寸，利用ANSYS有限元软件对其进行建模，材料性能常数为：弹性模量E＝ 206GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7.8×103kg／m3。采用Solid45三维实体单元进行有限元离散化，得到13 104个节点，6 480个单元，如图1所示。

图1 管道有限元离散模型

根据管道的实际受力特点，对管道施加重力及内压载荷；按照实际的约束情况对管道的相应节点施加约束，如图2所示：“位置2”通过墩支撑在地面上，“位置1”通过法兰在地面上与另一管道刚性相连，可采用自由度耦合方法施加约束，同时由于地基沉降它们均会相应发生沉降；“位置3”通过法兰与机器刚性连接，由于机器所在地基不会下沉，所以“位置3”可看作全约束。

图2 管道沉降位置模拟

经过计算，得到工作载荷作用下管道的位移和应力分布云图，分别如图3～4所示。

由图3～4可以看出：最大位移出现在管道上部弯曲处，最大位移为0.125mm；最大Von Mises等效应力出现在管道下部弯曲处，最大应力为71.4 MPa。根据压力管道常用钢管的许用应力规范，20＃钢在≤150℃时的许用应力［σ］＝127MPa［6］；对其进行应力校核，σSMX＝71.4MPa≤［σ］，所以是安全的。

图3 正常工况下管道位移云图

图4 正常工况下管道应力云图

2 有限元模拟

由于管道架空在软土地基上，为研究地基沉降对其受力的影响及其程度，现考虑4种沉降组合方式。沉降方式Ⅰ：“位置1”不沉降，“位置2”沉降；沉降方式Ⅱ：“位置1”沉降，“位置2”不沉降；沉降方式Ⅲ：“位置1”和“位置2”同步沉降；沉降方式Ⅳ：“位置1”和“位置2”不同步沉降。

通过ANSYS仿真模拟，可以得到4种沉降方式下管道的应力分布云图。将前3种沉降方式下不同沉降量与管道所承受的最大Von Mises等效应力拟合为曲线，如图5所示。

图5 3种沉降方式下沉降量与最大应力关系曲线

由图5可知，“位置2”单独下沉要比“位置1”单独下沉对管道应力集中的影响更大，当下沉1.25 mm时已超过允许的许用应力值，管道处于危险临界状态。“位置1和2”在开始同步沉降很小位移时对管道的受力影响并不明显，但当超过0.75mm后随沉降量的增加而急剧增大，当达到1.75mm以后与“位置2”单独沉降时管道所产生的最大Von Mises等效应力几乎相等。

事实上，前2种沉降方式可看作是不同步沉降，即沉降方式IV的特例。当同步均匀沉降位移很小时对管道的破坏相对“位置2”单独沉降时要小，但当同步沉降量过大时，其破坏程度与“位置2”非同步沉降近似。

将“位置1和2”不同步沉降与前3种沉降方式综合在一起，利用MATLAB软件绘出管道所承受的最大Von Mises等效应力与沉降量之间的关系曲面，如图6所示。

图6 沉降量与最大应力关系

由图6可见，“位置1和2”不同步沉降对管道的影响要远大于同步沉降时所产生的最大等效应力；同时还需注意的是，“位置2”在沉降量达到1.5 mm之后，无论“位置1”是否沉降或不管沉降量有多大，管道最大应力均已超过强度允许值，应引起重视。

3 结论

1） 基于ANSYS的静力分析可以较精确地模拟出管道的应力和变形分布规律，确定管道在重力及工作内压作用下的受力薄弱部位，有助于提高管道的设计水平与质量。

2） 管道支墩处单独下沉要比管道与管道法兰相连处单独下沉对管道受力的危害更大，应为重点监测部位。

3） 沉降量与最大Von Mises等效应力近似成折线关系，地基不均匀沉降要比均匀沉降对管道产生的影响严重得多，为管道主要破坏因素。因此针对敷设在软土地基上的管道，应避免不均匀沉降及过大均匀沉降的发生。

4） 通过对不同沉降组合下管道的应力分析，可有效确定对地基沉降受力敏感的区域，为实时监测管道应力重点部位提供理论依据。

［1］ 顾振荣.地基沉降对燃气管道的损害及对策［J］.山西建筑，2008，34（15）：85－86.

［2］ 魏存祥，陈次昌，杜景水，等.兰成渝输油站弯管震后金属磁记忆检测［J］.石油矿场机械，2010，39（5）：65－67.

［3］ 马新军，姜万军.长输管道腐蚀及检测技术 ［J］.石油化工腐蚀与防护，2009，26（6）：18－20.

［4］ 李玉星，彭红伟，唐建峰，等.天然气长输管道泄漏检测方案对比［J］.天然气工业，2008，28（9）：100－104.

［5］ Limura S.Simplified mechanical model for evaluating stress in pipeline subject to settlement［J］.Construction and Building Materials，2004，18（6）：469－479.

［6］ 王树立，赵会军.输气管道设计与管理 ［M］.北京：化学工业出版社，2005.

Finite Element Stress Analysis of Pipeline at Ground Settlement

LENG Jian－cheng，ZHOU Guo－qiang，ZHANG Guo－wei，WU Ze－min（College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

Static analysis of the entrance pipe at compressor end in an expansion compressor affected by ground settlement was presented，and the effect of different ground settlement modes on stress distributions of the pipe was discussed.Based on ANSYS finite element simulation on the pipe under regular operation conditions，the weak stress part was at the lower bending zone and the maximum Von Mises equivalent stress was 71.4MPa.Through the stress analysis on 4kinds of different ground settlement modes including the rest pier and the flange connection part between the pipe and another one，the results showed that the rest pier settlement alone had greater influence on the pipe stress distribution，and the pipe was in danger when the sedimentation value 1.25mm was reached.While the asynchronous settlement was more dangerous than the destructive action of even settlement，and the relationship between the sedimentation value and the maximum equivalent stress was analogous to a concave surface.Therefore，the uneven settlement and excessive even settlement should be avoided for the pipelines on soft soil foundation，and the high stress area and the forced location sensitive to ground settlement computed by ANSYS software were main monitoring parts online.

pipeline；ground settlement；finite element analysis；stress

1001－3482（2012）04－0080－04

TE9

A

2011－10－28

国家自然科学基金资助项目（11072056）

冷建成（1977－），男，河南信阳人，副教授，主要从事磁记忆检测技术、结构健康监测与损伤诊断研究，E－mail：lbyljc＠163.com。