长输高陡坡段管道应力浅析

孙 蔺 余汉成 李 沫 杨汗青 陈彰兵 王赤宇

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041；2.中国石油塔里木油田公司天然气事业部，新疆 库尔勒 841000

0 前言

长输管道在山区段，受到地形、地貌的限制，不可避免出现不同长度，坡角约为30°～50°的高陡坡的情况。在该情况下，边坡底部管道受力情况恶劣。当水压试压时，管道除了受土壤的压力及约束外，还由于管线的自重和水的重量的影响可能造成管道局部应力超标。在管道建成运行后，受地质灾害的影响，管道覆土及管道下方土壤被冲刷，可能造成局部管道悬空，只剩截水墙及挡土墙支撑管道的情况，因此需要对高陡坡段管道进行应力分析。本文采用CAESERⅡ应力分析软件进行应力分析。该软件是由美国COADE公司研发的用于压力管道应力分析的专业软件，在国际上得到广泛应用。

1 建模

工程实例：某工程QCA265～QCA266号桩段为高陡坡段，整段管线长度约为220m，最陡处坡度约45°，管线设计压力10MPa，管道规格为Φ1 016×12.8mm，材质为X80螺旋缝埋弧焊钢管，水压试压为11MPa，输送介质为符合GB 17820标准的净化天然气。运行温度为 5～30 ℃，安装温度为 15 ℃［1］。

根据该段管道的施工图设计建立应力分析模型［2］。

2 工况分析

2.1 安装工况

安装工况是模拟管道下沟后，未覆土时的工况。由于CAESERⅡ无法模拟土壤对管道的连续支撑，因此采用增加+Y方向支撑点的方式模拟土壤对管道的连续支撑。支撑点间距为2m。管沟挖成后，沟底需要回填细土垫层，管道与管沟底的摩擦系数按0.5考虑。若考虑下雨情况，管道与管沟的摩擦系数则应该适当减小，可取0.2。

由于管道在安装时未充气，因此分析时不考虑管道内压。

经CAESERⅡ计算后，摩擦系数为0.5时，管道最大应力为管道许用应力的1.9%。管道变形量见表1。

表2 摩擦系数为0.2时管道最大位移量

当摩擦系数为0.2时，管道最大应力为管道许用应力的1.9%。管道变形量见表2。

无论从应力值还是管道变形量看，管道的安装状态是安全的。

在长输管道的设计中常会人为地增加锚固点，若在高陡坡段起止点设置锚固点，经分析管道最大应力仍为管道许用应力的1.9%，与不设置锚固点时管段所受应力基本一致。锚固点各方向最大受力见表3。

表3 锚固点各方向最大受力

2.2 水压试压工况

水压试压工况是模拟管道下沟、覆土后进行水压试压时的工况。当埋地管道达到一定长度后，土壤对管道的约束力随着管道长度的增加有一个累积效应，达到一定长度后起到了固定点的效果。根据CAESERⅡ的通常设置方法，一般设置60～90m的埋管长度以模拟累积固定点的效果。因此在建模时延长了高陡边坡段起止点的长度，约100m。如果需要比较精确的模拟固定点长度，可以在建立埋地模型后，查看CAESERⅡ计算出的长度，再修改模型累积段的长度［3-4］。

经CAESERⅡ计算后，管道最大应力为管道许用应力的70.3%。可见本工程管道在水压试压时是安全的。

同样分析在起始及结束点设置锚固点后水压工况下的管道应力。

经应力分析软件计算管道最大应力为管道许用应力的70.3%。由于软件只考虑管道内的水重，不考虑温度引起的二次应力，所以锚固点受力、管道位移都是0。

2.3 运行工况

运行工况是模拟管道正常运行时的工况。本文按照运行压力为10MPa，运行温度为5℃、30℃分别进行分析。运行工况下，管道应力主要是由于温差产生的二次应力。经CAESERⅡ计算，当运行温度为5℃时，管道最大应力为管道许用应力的71%。管道变形量见表4。

表4 运行工况下5℃时管道最大位移量

在运行工况下分析高陡坡管段在起止点设置锚固点后管道最大应力为管道许用应力的75.2%，比不设置锚固点稍有增大，但仍然满足安全要求。管道最大位移量及锚固点受力见表5～6。

表5 运行工况下5℃时设置锚固点管道最大位移量

表6 运行工况下5℃时锚固点各方向最大受力

当运行温度为30℃时，经分析后管道最大应力为管道许用应力的72.6%。管道变形量见表7。

表7 运行工况下30℃时管道最大位移量

同样分析30℃的运行工况下，在高陡坡管段起止点设置锚固点时管道最大应力为管道许用应力的75.1%，比不设置锚固点稍有增大。管道最大位移及锚固点受力见表8～9。

表8 运行工况下30℃时设置锚固点管道最大位移量

表9 运行工况下30℃时锚固点各方向最大受力

可见本工程的管道在设计压力下，低温5℃、高温30℃运行工况时，管道是安全的，由于锚固点限制了管道自身正常位移与伸缩反而增加了管道的应力。

同时试算安装温度为15℃，运行温度为55℃时的极端工况，经计算管道最大应力为管道许用应力的79.4%，可见在此工况下，管道本身是安全的。

2.4 特殊运行工况

特殊运行工况是模拟管道建成运行后，受地质灾害的影响，管道覆土及管道下方土壤被冲刷，造成局部管道悬空，只剩截水墙及挡土墙支撑管道的情况。建模按间隔15m设置一个支撑点的方式来模拟分析管道悬空，管道运行压力仍为10MPa，运行温度为5℃［5］。

经计算，5℃时管道最大应力为管道许用应力的72.8%。管道最大位移量见表10。

表10 特殊工况下5℃时管道最大位移量

当在高陡坡段管道起止点设置锚固点时，管道最大应力为管道许用应力的76.1%。比不设置锚固点稍有增大。管道最大位移量及锚固点受力见表11～12。

表11 特殊工况下5℃时设置锚固点管道最大位移量

表12 特殊工况下5℃时锚固点各方向最大受力

通过计算结果可以看出，特殊工况下，高陡坡段管道本身是安全的。

若发生锚固点被雨水冲刷，造成了锚固墩悬空变成了管道的负荷，对这种工况进行初步分析。锚固墩重量按30 t考虑，把锚固墩的重量按管道附件受力建模，经计算管道最大应力为管道许用应力的100.7%，这时管道已经发生了破坏，此时锚固墩重量已经成为破坏管道的主要原因。

3 结论

随着科学技术的发展，油气长输管道设计工具的进步和更新，以前只能按照经验进行设计的管道现在可利用软件进行定量、定性分析，这无疑提高了油气长输管道的设计安全性，为生产运行提供了首要保证。

经过CAESERⅡ软件建模分析后，本文中的天然气长输管道工程在高陡坡段除特殊运行工况外的其他各种工况下管道应力均未超过管道的许用应力，从管道应力的角度分析，管道是安全的，管道的变形量也在合理的范围内。

当人为地增加锚固点后，管道的应力均有所增加，管道变形并无实质性的改善，特别在管道锚固墩悬空，成为管道负担时，管道受力情况反而变得更加恶劣，因此在长输管道的设计中应该慎重考虑锚固点的设置，如果确实因为特殊情况需要设置锚固点，也应经过应力分析来确定锚固点的位置及锚固点的受力。

［1］GB 50251-2003，输气管道工程设计规范［S］.GB 50251-2003，Code forDesign ofGasTransm ission Pipeline Engineering［S］.

［2］王新庆.基于管道应力分析的管道系统设计研究［J］.水务世界，2012，S2（8）：24-28.W ang Xinqing.Design Study of Pipeline System Based on StressAnalysis［J］.W ater Field，2012，S2（8）：24-28.

［3］唐永进.压力管道应力分析（第二版）［M］.北京：中国石化出版社，2009.Tang Yongjin.StressAnalysisofPressure Pipeline（The Second Edition） ［M］.Beijing：China Petrochem ical Press Co.Ltd，2009.

［4］黄 坤，吴世娟，卢泓方，等.沿坡敷设输气管道应力分析［J］.天然气与石油，2012，30（4）：1-4.Huang Kun，Wu Shijuan，Lu Hongfang，etal.Analysison Stress of Gas Pipeline Laid along Slope［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（4）：1-4.

［5］顾伯通，王兆福，李铁军，等.高陡边坡管道水工保护的设计新方法［J］.天然气与石油，2006，24（4）：27-28.Gu Botong，Wang Zhaofu，Li Tiejun，et al.New Design Method forW ater Reservation of Pipelinesin High and Steep Slope［J］.Natural Gasand Oil，2006，24（4）：27-28.