集输管道锚固墩推力计算方法探讨与优化

陈俊文 刘力升 余 洋 吕 娜 汤晓勇

(1. 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司；2. 中国石油天然气股份公司西南油气田分公司输气管理处 3. 中国石化销售有限公司四川石油分公司)

集输管道锚固墩推力计算方法探讨与优化

陈俊文1刘力升2余 洋1吕 娜3汤晓勇1

(1. 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司；2. 中国石油天然气股份公司西南油气田分公司输气管理处 3. 中国石化销售有限公司四川石油分公司)

结合埋地管道轴向受力规律，分析并优化了锚固墩推力计算方法。结果表明：锚固墩推力计算应充分考虑全线锚固墩的设置情况；优化后的计算结果大幅降低了锚固墩推力值；软件建模结果证实了优化后的公式计算结果的可靠性。

集输管道 热应力 热位移 锚固墩 探讨与优化

随着油气开发的不断发展，井口的高温、高压工况将成为油气田地面工程的常态[1]。虽然井口节流设备可在一定程度上降低介质的温度和压力，但受开发方案经济性的制约，节流后的介质温度和压力仍处于较高水平[2]。因此，油气集输系统不可避免地面临高温、高压工况带来的诸多难题与挑战，例如站内配管应力超标、埋地管道弯头应力过大及绝缘接头失效等问题[3～5]。目前，诸多学者针对在温度和压力影响下的钢制管道应力和应变规律进行了深入的研究[6～10]，也提出了较为可行的管道位移和应力控制措施，保障了管道上下游设备、管道及其附件的安全。其中，在埋地管道上设置锚固墩是解决上述问题的有效手段。锚固墩依靠体积庞大的混凝土块与土壤间的相互作用力对管道推力进行平衡，以约束管道位移，防止热膨胀位移传递给其他设备、管件后诱发这类物件强度失效。目前，锚固墩推力计算研究已经取得了长足的进步[11～14]，且大量应用于实际工程，但较大的尺寸造成了较高昂的投资，有必要进一步讨论通过优化锚固墩推力计算方法以减小尺寸。同时，鲜有研究报道关注锚固墩的推力分析与整个管道系统走向和锚固点分布的关系。虽然相关商业软件简化了分析过程，但计算结果也需用理论推导的公式进行复核。因此，有必要基于前人研究成果，结合管道强度和位移本质规律，进一步探讨和优化锚固墩推力的计算方法，以达到设计合理、节省投资的目的。

笔者将基于管道系统内应力基本规律，结合锚固墩的实质作用，探讨全管道系统下锚固墩推力的计算方法，并进一步提出优化锚固墩推力的手段与措施。

1 埋地管道系统运动规律

埋地钢制管道轴向应力主要包括内压应力(由内压引起)、温差应力(由操作温度与安装温度差引起)、弯曲应力(由管道弯曲应力引起)和其他应力(由外力引起)。根据目前常用的埋地管道应力校核规范ASME B31.8-2014[15]和ASME B31.4-2016[16]，埋地管道的基本状态可以分为锚固态和非锚固态，其实质在于管道是否存在由前述各种外因(如内压、温差、弯曲或外力)引起的位移或形变，可将在外因作用下依然保持原始位置或形态的管道定义为锚固态管道；将在外因作用下发生位移或形变的管道定义为非锚固态管道。其中，锚固态管道被外力嵌固，管道轴向应力(绝对值)最大，但对连接直管段的弯头或设备几乎无附加位移；非锚固态下，部分管道轴向应力(尤其是温差应力)被管道以位移的形式释放，但会对连接直管段的弯头或设备产生附加位移，造成应力集中[17]。

运行过程中(温差和内压作用下)的埋地管道系统，往往同时存在锚固状态和非锚固状态。如图1所示，由于管道存在出入土敷设、路由弯曲等情况，因此长直管道(含大曲率半径的弹性敷设段)需要纵向弯头、水平转角弯头等管道附件进行连接。由于弯头存在角度变化，因此弯头必然在两端受管道推力作用而发生形变，故属于非锚固部件。长直管道的两端在管道轴向推力和土壤摩擦阻力的联合作用下能够轴向伸缩(轴向推力大于土壤摩擦阻力)，处于半活动状态，属于非锚固状态，称为活动端；但当活动端长度足够时，土壤摩擦阻力足够克服管道轴向推力，两活动端之间的管道被虚拟锚固，无轴向位移。因此，无论管道走向如何布置，只要带压运行，或运行温度与安装温度不同，管道均会产生轴向应力；管道转角与出入土处的弯头将破坏虚拟锚固状态的延续性，这些管件必然承受管道收缩产生的附加位移。在运行过程中，埋地管道系统中的埋地弯头和出入土端所连接的露空管件由于自身的形变和长直管道活动端的附加位移，会发生应力集中，造成这些管件应力水平偏高。一旦其应力水平高于规范允许最大值，将面临强度失效的危险。因此，设置锚固墩的主要目的就是对管道活动端引起的位移进行限制，防止弯头或其他主管道所连接的管件发生应力超标。

图1 埋地管道系统管道锚固状态分布示意图

2 锚固墩推力计算

锚固墩一般设置在靠近过渡变形弯头的直管段，以尽量增大锚固点两侧所受作用力的差值，降低弯头应力水平。锚固墩的尺寸与锚固点所受总推力密切相关，且随总推力的增大而增大，因此，合理分析并计算锚固点推力，可优化锚固墩尺寸、降低工程投资。

锚固点受力示意图如图2所示。

图2 锚固点受力示意图

由此可见，确定锚固点受力时，需综合考虑管道轴向推力、土壤作用力等作用。由于压力管道存在内压，因此在设计靠近发球筒的锚固墩时，还需考虑管端效应对轴向力的贡献。因此，锚固点的受力包括：土壤提供的作用力、管道提供的轴向推力和管端作用提供的轴向拉力。

2.1 土壤提供的作用力

锚固点活动侧若是埋地弯头，则理论上能够提供反作用力：

FS=Q+f

(1)

式中FS——土壤对管段的反作用力，N；

f——土壤对管道的摩擦力，N；

Q——土壤对管端的支撑力，N。

一般地，靠弯头段左侧为弯头附近的土壤，由于该段管道长度较短，故根据虎克定律可知，管道的伸长量较小，故与活动管段长度线性相关的土壤摩擦力亦较小；同时，土壤具有一定的压缩性，在小形变下，弯头处土壤反力均较小。因此，对于靠近弯头设置的锚固点，土壤作用力可忽略。

2.2 管道提供的轴向推力

对于锚固点右侧的长直管段，其形变被完全约束，故轴向应力σL可通过温差应力、泊松效应等分项计算而得，即：

(2)

故锚固点所受推力FL可写为：

(3)

式中D——管道外径，mm；

E——管道弹性模量，MPa；

p——操作压力，MPa；

t——管道壁厚，mm；

Δt——操作温度与安装温度的差值，℃；

α——线膨胀因数，mm/(mm·℃)；

υ——材料泊松比，υ=0.3。

2.3 管端作用提供的轴向拉力

对于上游干线存在密封管端的锚固点(例如站内发球筒)来说，由于存在管道系统位移，因此需考虑内压对管端作用，则管系的拉伸应力σp′为：

(4)

其拉力Fp′为：

(5)

因此，结合式(1)～(3)，可得锚固点所受合力F为：

(6)

式(5)和诸多文献、专著介绍的锚固墩推力计算公式一致，说明推导过程合理。

同时，如前文所述，若埋地管道系统的多处弯头应力水平较高，则需在埋地弯头附近设置锚固墩，以保护弯头强度，如图3所示。图中弯头1～4均会由于直管段位移过大而造成应力超标，因此，除按照常规设置1#锚固墩外，还需考虑设置锚固墩对管道位移进行限制。由式(2)可知，管端拉力对锚固点的作用力是正贡献的，且作用在1#锚固墩处。对于下游增设的2～4#锚固墩，由于管端效应的拉应力被1#锚固墩隔离，故不必再次考虑。因此，这种情况下，式(2)需改写为：

(7)

图3 埋地管道系统管道锚固点位置

同理，在某些情况下，若上游管道由于介质温度较低而未设置锚固墩，但沿途接入温度较高的井口来气后，下游管道部分管段可能出现弯头应力过高，如图4所示。

图4 埋地管道系统管道锚固点位置

图4中，高温井接入后，由介质温度较高引起的管道位移导致弯头5应力过高，需设置1#锚固墩。由于弯头4、5之间的管道部分为自然锚固，阻断了发球筒附近由管端效应产生的拉力对1#锚固墩的作用，因此，锚固墩受力计算式同式(6)。

由此可见，由于管道中锚固墩的受力影响因素不同，在考虑锚固墩的推力计算时，应对管端效应引起拉力的存在性进行分析与识别；在上游已有锚固墩或长直管道形成的自然锚固段后设置新的锚固墩时，不需要考虑管端效应对锚固墩推力的影响，以免造成计算推力过大，引起工程量和投资的增加。

3 算例分析

为进一步证实前文观点和所推模型的合理性，在相同管道模型中，采用不同计算思路对不同位置的锚固墩进行推力计算和对比，并借助商用应力分析软件CAESAR II对计算结果进行复核。管道模型如图5所示。

图5 埋地管道系统管道锚固点位置(算例)

除图中标示的各段管道长度外，其余参数如下：

管道壁厚t16mm

管道外径D406.4mm

最小屈服强度δs360MPa

弯头1角度 45°

弯头2角度 45°

弯头3角度 90°

弯头4角度 90°

弯头5角度 60°

弯头6角度 60°

露空高度 1 200mm

管顶埋深 1 500mm

泊松比υ0.3

弹性模量E210GPa

线膨胀系数α1.20×10-5mm/(mm·℃)

安装温度T120℃

运行温度T260℃

操作压力p14MPa

校核标准 ASME B31.8-2012 RESTRAINT

各锚固点推力计算结果列于表2。

表2 锚固墩推力计算结果

由此可见，1#锚固墩的公式计算值(2 676kN)和软件模拟值(2 513kN)较为接近，且需要考虑管端效应对锚固点的受力贡献；2～4#锚固墩由于均不考虑管端效应，因此计算结果远小于考虑管端效应的计算值，软件的模拟结果也证实了这3处锚固墩是不受管端拉力的。同时，2～4#锚固墩的受力计算结果也说明，合理考虑管端效应的作用对锚固墩合力的计算结果进行了较大的优化，也将直接减小锚固墩的施工尺寸，节约投资。

4 锚固墩推力深入优化的思路

前文对两种锚固墩推力计算模型进行了分析与验证，说明合理考虑管端效应对锚固力计算结果具有较大的影响。另外，基于锚固点受力组成，在满足锚固墩保护的弯头或设备应力水平合格的前提下，还可从以下几方面优化并减小锚固墩推力：

a. 降低锚固刚度，允许小位移。根据式(3)可知，此种方式描述的锚固点所受管道轴向推力是基于完全锚固假设进行考虑的，锚固墩将完全承受限制热膨胀而产生的轴向推力。若允许锚固墩发生小位移，则热膨胀能够得到一定程度的位移释放，由此诱发的热膨胀推力将有所降低；同时，锚固墩的轴向位移也将使活动侧受到一定挤压，在土壤刚性较大的情况下，能够提供约束这部分轴向位移的轴向反力，这将进一步降低锚固点的合力。

b. 长直管道采用弹性敷设。管道能够为锚固点施加推力的本质在于其两端均被锚固墩固定，或另一端被虚拟锚固端固定。锚固端热膨胀力与管道的锚固程度成反比，若在锚固点后的直管段中进行小角度、大曲率半径的弹性敷设，可在一定程度上允许热膨胀作用下的管道发生位移，降低热膨胀应力。由于实际工程中，管道地形会发生天然起伏，为通过弹性敷设释放热膨胀力提供了天然条件，故通过这种方式降低锚固墩所受推力的思路值得进一步研究。需要指出的是，这种方式应特别注意避免管道发生侧向屈曲和隆起屈曲。

c. 适当增大锚固点与弯头的距离。锚固墩所受活动侧提供的反作用力包括土壤对弯头的反作用力和土壤对管道的摩擦力。若锚固点选择在距离弯头更远的点设置，则弯头与锚固点之间的直管道长度增加。由于此段直管道也具有热膨胀性，但其一端为具有一定柔性的土壤，因此根据虎克定律，此段直管道会发生一定程度热位移，并将此位移施加于弯头，压缩支撑弯头的土壤。一方面，被压缩的土壤会提供更大的反作用力；另一方面，长度增加的直管道也将受到圆周表面土壤提供的摩擦力。这两种反力都将抵消部分锚固点对侧的轴向推力，降低锚固点的合力。

d. 耦合温降模型。式(3)中表示的热膨胀力主要受安装温度和运行温度的差值影响。在管道中，介质在流动过程中会与土壤环境进行换热，温度降低。因此，对于长直管道，其两侧锚固墩实际所受的轴向推力会受运行温度的变化而有所不同，因此，锚固墩所受推力必然低于依照等温度场计算的结果。

5 结论

5.1 在埋地管道中，若管道活动端的位移可能引起与之相连的弯头、设备等应力超标，则可考虑设置锚固墩对热位移进行隔离。

5.2 锚固墩推力计算中，轴向拉伸效应的存在性探讨非常重要。

5.3 管道系统中需设置多个锚固墩时，可利用本文提出的基于轴向拉伸效应辨识的推力公式分别计算不同位置锚固墩点受力情况，其计算结果与商用软件模拟结果误差较小。

5.4 根据锚固推力组成，可进一步深入研究优化锚固点受力的计算方法。

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DiscussionandOptimizationofAnchorBlockPushingForceCalculationMethodforGatheringPipeline

CHEN Jun-wen1, LIU Li-sheng2, YU Yang1, LV Na3, TANG Xiao-yong1
(1.SouthwestCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.; 2.GasTransmissionDepartmentofCNPCSouthwestOilandGasBranchCompany; 3.SichuanPetroleumCompany,SinopecMarketingCo.,Ltd.)

Basing on the law of buried pipeline’s axial force to analyze and optimize the method of calculating the anchor block force to shows that, the setting of anchor block for the whole pipeline has to be considered when calculating the anchor block pushing force; the calculation results optimized can decrease anchor pushing force greatly and modeling results verified its reliability.

gathering pipeline, thermal stress, thermal displacement, anchor block, discussion and optimization

陈俊文(1987-)，工程师，从事油气田地面工程设计与研究工作，chenjunw_sw@cnpc.com.cn。

TQ055.8+1

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0254-6094(2017)03-0296-06

2016-07-04，

2016-12-13)