水网地区漂浮输气管道应力分析

付 冉 姚安林,2.西南石油大学石油与天然气工程学院, 四川 成都 60500；2.油气消防四川省重点实验室, 四川 成都 60500



水网地区漂浮输气管道应力分析

付 冉1姚安林1,2
1.西南石油大学石油与天然气工程学院, 四川 成都 610500；2.油气消防四川省重点实验室, 四川 成都 610500

水网地区输气管道在汛期会产生不与河床接触的局部漂浮管段,管道在动水作用力、浮力、重力及岸边土体抗力的共同作用下发生空间弯曲变形。为得出管道在局部漂浮时的应力分布情况,建立水流作用下漂浮管道的力学模型,采用CAESARⅡ有限元软件对管道进行数值模拟。结合管线工程实例进行分析,得到管道应力分布和变形情况及危险点的位置。漂浮管道的力学行为受诸多因素影响,分析管道最大当量应力随影响因素的变化规律,对水网地区输气管道的日常维护和制定抢险方案具有重要的参考意义。

输气管道；漂浮；应力分析；CAESARⅡ

0 前言

水网地区易发生洪水,洪水冲击河床泥土,造成输气管道局部漂浮,甚至可能发生管道冲断事故。输气管道的破坏不仅造成严重的经济损失,而且还会造成天然气泄漏污染环境。分析洪水作用下对漂浮输气管道的各种影响因素,从而合理地控制这些影响因素,对输气管道安全运营具有现实意义。

水流对输气管道的作用力十分复杂。张乐天等人[1]采用数值方法分析水流冲击管道的流场分布,得出不同裸露程度管道的力学响应,余建星等人[2]推导悬跨管道在管外和管内流动流体共同作用下的振动微分方程,并以不发生涡激振动作为控制条件推导出管线允许悬跨长度,由丹丹等人[3]基于Morison方程,建立了局部漂浮管道的动水作用力模型以及推导了有限元离散方程,杨兵等人[4]于2008年利用模型实验研究了单向海流载荷下管道局部冲刷现象,结果与河流穿越有类似之处,吴晓南等人[5]通过对比理论计算和CAESARⅡ软件模拟分析大口径厚壁钢管输气管道,证明CAESARⅡ软件在大口径厚壁钢管中的应力分析是可靠的。王晓霖等人[6]采用解析法计算了不同管道参数和洪水参数条件下管道的应力和应变分布情况。本文采用CAESARⅡ应力分析软件,分析漂浮管道在各种不确定性参数发生一定变化时对管道安全的影响程度。

1 漂浮管段的形成机制

图1 水中漂浮管段示意图

漂浮输气管段是指采用大开挖直埋方式穿越河流的输气管道与河床表面不发生直接接触的悬跨段,见图1。穿越水网地区输气管道悬跨段形成的原因主要有：

1)雨季水流冲刷河床与水流下切作用,造成输气管道局部漂浮。

2)在敷设输气管道的过程中,管道的连接处会产生残余应力,这些残余应力对水网地区的漂浮输气管段的形成有很大的影响,具有残余应力的水网地区输气管道由于应力重新分配与传递,导致管道在某些局部产生屈曲变形,形成漂浮管段[7]。

3)由于人口稠密,在输气管道附近有许多人工活动形成的砂坑,随着其规模扩大而发展到管道处。

4)其他原因造成输气管道局部漂浮。

2 漂浮管道变形及内力分析

2.1 分析模型的建立

在水流的冲击作用下,水中漂浮管道受到水流水平方向拖曳力FD、惯性力FI,竖直方向的升力FL、浮力Ff以及管道自身和内部介质重力W[6]的共同作用,见图2。

图2 漂浮管道载荷示意图

在洪水季节,水流中可能会夹杂一些砂石和其他物体,水流密度ρw与其含沙量有关[8],取值如表1所示,近似取水流黏滞系数υ为1.001 003Pa·s。

表1 水流含沙量与水流密度的关系

含沙量水平含沙量/(kg·m-3)水流密度/(kg·m-3)低101006中1001060高2001120极高3001180

若已知水流的具体参数,也可通过下式计算水流密度ρw[9]：

ρw=ρ0(1-Sv)+ρsSv

(1)

式中：ρw为水流密度,kg/m3；ρ0为水流和沙的总密度,kg/m3；ρs为水流中的沙密度,kg/m3；Sv为体积比含沙量。

单位长度管道及内部介质重量W：

(2)

式中：ρp为管道材质的密度,kg/m3；ρi为管道内介质的密度,kg/m3；δ为管道壁厚,m；D为管道外径,m；g为重力加速度,m/s2。

管道单位长度受到的静水浮力Ff：

Ff=πD2ρwg/4

(3)

由于不考虑水流速度的变化,根据Morison方程[10],管道不受水流惯性力FI作用,故管道单位长度的水流作用力为：

FD=0.5ρwDCDu2

(4)

FL=0.5ρwDCLu2

(5)

式中：u为平均水流速度,m/s；CD为动水阻力系数,无因次；CL为拖曳力系数,无因次，见表2。

表2 动水阻力系数与拖曳力系数

名称不同Re下CD和CL系数0 5×1050 5×105～1×1051×105～2 5×1052 5×105～5×105>5×105CD1 31 21 53-Re3×1050 70 7CL1 51 01 2-Re3×1050 70 7 注：雷诺数Re=uD/υ。

水平面(xz为水平面)内的力学分析模型[11-13]见图3。虚线为漂浮输气管段在水平面上的投影，漂浮段水平方向上均布动水作用力qz。产生漂浮管段过后,除了裸露在水中的管道外,沿轴向两端的管道仍埋于土壤中,受未损地基的支撑。建立CAESARⅡ有限元物理模型时,合理选取埋地管段长度,取单侧埋地段长度为悬跨段长度的一半,这时管两端A(A′)截面可近似为固支[14]。

图3 漂浮管道水平面受力模型

将漂浮管道所受载荷分为两类：水平(沿流速方向)水流拖曳力和竖直方向的浮力、升力和重力。管道因承受两个方向上的作用力而呈现水平和竖直组合弯曲变形。水流作用下的管道表现为复杂的空间受力形式。根据工程力学可知,漂浮管道关于a-a轴对称,最大挠度在管道中点。

2.2 应用实例分析

（3）第三时期是以混合云计算模式为基准，该种计算模式完全突破了私有云以及公有云计算模式的界限，用户们不仅仅是云服务的使用人员，更是云服务的提供人员，该种模式下，社会信息资源的共享值极大，在第三时期，信息安全也得到了保障，可以将油田的基础设施资源放置到其中。

我国某地洪水暴发,导致一条输气管道被水流冲刷成漂浮管道,使用CAESARⅡ软件对其进行应力计算。

该输气管道的管材为X70钢,弹性模量E=210GPa,管道外径D=1 016mm,壁厚δ=17.5mm,管道压力p=10MPa,屈服强度σs=485MPa,输送介质温度为常温。漂浮段L=40m,两端依旧埋于河床土壤中,土壤温度为常温,水流速度u=3m/s,水流为中等含沙量,水流密度ρw=1 060kg/m3。

进入Piping-Input模块,按照SI单位制输入管道基本参数,进行约束设置。漂浮输气管段受到水流作用,根据图2所示管道受力分析图,对其添加均布载荷。管道模型建好以后,进行错误检查。如果发现错误,返回修改参数。没有错误,将生成报告,显示分析结果数据。

在CAESARⅡ软件的主界面菜单中选择Input-Underground,进入埋地管线模块,对埋地管单元进行土壤模型的加载。土壤参数见表3。

表3 土壤参数

土壤摩擦系数土壤密度/(kg·m-3)管道埋深/m土壤内摩擦角/(°)回填夯实系数0 519601 663305

通过土壤约束的加载,利用CAESARⅡ软件可分析得出埋地管道的管单元虚拟锚固长度(过渡段长度)、轴向刚度、横向刚度、屈服位移、弹性臂长等数据。土壤模型建立以后,才正式完成埋地管道模型的建立。

在配置菜单中设置AMSEB31.3为默认规范,采用第四强度理论对管道进行应力分析并计算管道的Mises应力。定义组合工况,进行静态分析。CAESARⅡ软件的静态分析结果见图4。

图4 静态分析结果

2.3 结果分析

通过软件计算管道受力情况,得到管道在运行状态下的应力值，见表4。

表4 计算结果

管系单元节点弯曲应力/kPa最大当量应力/kPa竖直方向位移/cm水平方向位移/cm10-121020 67295505 200010-121246 99295535 500 01520 006212-2020108 10295596 600 02360 013320-3030458 42295946 900 03170 017430-40402145 58297634 10-0 0553-0 025640-414122987 77318476 30-0 0768-0 035541-424255743 99351232 500 11150 051642-494965704 89361183 700 35800 165649-515163818 89359307 400 73270 346451-606027032 28322520 804 91882 274960-707056030 84351519 307 12923 295570-808025062 81320551 304 82332 225480-909065871 78361360 300 72080 324290-919151501 91346990 400 15280 061291-929222558 89318047 40-0 0200-0 018592-1001002757 66298246 200 01070 0061100-1101108703 90304192 400 06460 0184110-1201204475 22299963 700 06160 0175120-12912949 73295832 200 03250 0092129-13013021 98295506 3000

通过计算得到的管道应力值,绘制漂浮管道当量应力沿管线的分布情况，见图5。

图5 管道当量应力沿管线分布图

3 各相关因素影响下管道的受力特性

3.1 影响因素的选择

为了解各相关因素影响下管道的受力特性,同时根据上节分析的漂浮管道应力分布情况,水流作用下的漂浮管道受力的影响因素主要来自两个方面：几何特性和外部受力。在几何特性方面主要分析管道径厚比和管道漂浮段长度对管道受力的影响；在外部受力方面主要分析水流速度的影响[15-16]。当选取一个因素变化时,其他因素均保持不变。

3.2 漂浮管道长度的影响

漂浮管道长度是影响管道受力的主要因素,分别针对4组外径壁厚组合：1 219mm×18.4mm、1 016mm×17.5mm、1 219mm×22.0mm、1 016mm×21.0mm,径厚比依次减小,并设定4种漂浮长度10、20、30、40m,其他参数不变,通过CAESARⅡ软件计算管道在运行状态下的当量应力值。不同管道的最大当量应力值随漂浮管道长度的变化曲线，见图6。

图6 不同管道的最大当量应力值随漂浮长度的变化曲线

由图6可以看出，当管道径厚比增大时,管道最大当量应力值增大,管道易发生危险。而随着管道漂浮长度的增大,管道最大当量应力值增大,且随着漂浮管道长度的增大,当量应力值增长越来越快。

3.3 水流速度的影响

为避免初始差异影响分析结果,在对不同水流速度下管道最大应力值数值模拟中,直接将管道设定为统一漂浮长度的实体模型。分析水流速度对管道应力影响时,分别针对4种外径壁厚组合：1 219mm×18.4mm、1 016mm×17.5mm、1 219mm×22.0mm、1 016mm×21.0mm,漂浮长度为40m,分别施加5种不同水流速度,确定当量应力值。不同管道的最大当量应力值随水流速度的变化曲线，见图7。

图7 不同管道的最大应力值随水流速度的变化曲线

根据图7可知,在管道的径厚比一定时,当水流速度增加,管道的最大当量应力增大,这一结果与水流速度增加使拖曳力增大相对应。在相同水流速度条件下,管道当量应力随径厚比减小而减小。但在实际工程中,管道径厚比的减小使单位管段的耗材量增大,导致成本增加。

4 结论

1)通过对不同规格的管线进行运行条件的数值模拟和分析,若水流冲刷使管道漂浮长度增加或水流速度增大,管道应力增大,应采取相应的防护措施,避免管道因当量应力过大造成断管事故。

2)根据分析结果可知,在管道日常维护阶段,减小管道漂浮长度(如漂浮管段中间设置稳管桩)可作为自然灾害环境下保证管道临时安全的治理方法之一。与此同时,在管道设计及施工阶段,是否采用混凝土加重块的方法来增加管道的安全性,应根据实际工程情况确定。

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2015-04-20

付 冉(1990-),女,四川成都人,硕士研究生,主要研究方向为油气储运系统风险评价与完整性管理。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.003