埋地天然气管道应力变形分析

韩志鹏

摘 要：利用有限元法对埋地天然气管道的应力和变形进行了分析，考虑到实际施工过程，提出利用单元生死技术实现回填土分层加载，模拟管沟的回填过程。分析得出管壁内侧管顶处和管壁外侧管侧处受到最大拉应力作用，是管道的2个危险点；与公式法相比，利用有限元法计算管道的变形更接近实际情况。

关键词：天然气 埋地管道 应力 变形

中图分类号：TQ325 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0111-01

埋地管道被广泛用于输送油、气、水等介质，在国民经济中占有重要的地位，具有投资巨大，安全性高等特点。埋地管道作为—种特殊的地下结构，其周围土壤不仅作为载荷作用在管道上，而且约束着管道的移动和变形。因此，在管道设计中必须考虑管道的相互作用，才能更真实地反映埋地管道的受力状态。本文利用有限元分析软件ANSYS，对某天然气管道的应力和变形进行分析，分析中考虑了施工过程对管道应力和变形的影响，并讨论了覆土深度与管道应力和变形之间的关系。

1 有限元模型的建立

埋没于地下的管道可以看做是置于弹性介质中的1根无限长梁。因此，可以取垂直于管道纵轴线的任意截面作为平面应变问题进行处理。本文对地基为软基、土弧中心角为90°、覆土深度为8 m、无内压工作条件下的管道进行了分析。有限元模型单元类型选择PIANE82单元，具有较高的计算精度。

1.1 材料属性

管道材料为20#钢，外径168.3 mm，壁厚6.4 mm，在载荷作用下变形较小，所以按线性材料计算。ANSYS提供的DP材料，使用DP屈服准则，在岩石、土壤的有限元分析中，能够得到较为精确的结果，所以土壤采用非线性DP材料。由于原状土处于自然平衡状态，故不计容重。

1.2 边界条件及载荷

为了减小外部边界条件对管道应力的扰动影响，取管道周围一定范围内的土壤作为结构的一部分进行分析，底部用铰支承固定，两侧用锭杆支承，使之只能发生垂直位移，而不发生水平位移。考虑实际施工情况，利用ANSYS单元生死技术模拟管沟回填过程，实现分层加载。

2 计算结果及分析

2.1 应力分析

经过求解计算，得出管壁内侧、外侧环向应力：管壁内侧管顶处拉应力最大，沿管周方向，拉应力逐渐变为压应力，在管侧压应力达到最大，随后压应力又转变成拉应力，并在管底达到最大；管壁外侧管侧处拉应力最大，沿管周方向，拉应力逐渐变为压应力，在管顶压应力达到最大。（如图1）

分析表明：管壁内侧管顶处和管壁外侧管侧处是管道的2个危险点，设计时只需考虑这2点的应力能否满足要求即可。随着覆土深度的增加，管壁内侧管顶处和管壁外侧管侧处的应力变化如图1。可以看出：随着覆土深度的增加，2点的应力值都逐渐增加；在覆土深度小于5 m时，最大拉应力出现在管壁内侧管顶处；当覆土深度大于5 m时，最大拉应力出现在管壁外侧管侧处。

2.2 变形分析

利用有限元法和常规的公式法得出的管道变形与覆土深度的关系曲线如图2。

由图2可见：随着覆土深度的增加，2种计算方法得到的管道变形都逐渐增大，但有限元法计算的管道变形量低于公式法的计算值；在覆土深度较小时，二者的值比较接近，随着覆土深度的增加，二者的值相差越来越大。主要原因是公式法将管顶土体作为外加载荷1次作用在管道上，管顶竖向土压力与覆土深度成正比，这不能完全反映实际情况；而有限元法把土体处理成非线性材料，考虑了管道、回填土和地基的相互作用，比较接近实际情况。因此，在覆土较浅时2种方法的计算结果较接近，覆土较深时二者的计算结果相差较大。

3 结论

（1）管壁内侧管顶处和管壁外侧管侧处受到最大拉应力作用，是管道的2个危险点。

（2）比较有限元法和公式法对的管道变形值的分析计算可知，利用有限元法计算管道的变形更接近实际情况。

参考文献

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