管道漂管应力分析及处理措施

石 悦， 赵 媛， 张 俊

(1.山西能源学院，山西 太原 030600；2.山西天然气有限公司，山西 太原 030032)

引 言

敷设于山区、丘陵、河沟地段的天然气管道，在雨季水流的作用下，周边土壤或河床会被冲刷而造成管道裸露。如遇暴雨或连续雨水天气出现较多水流汇集，极易在裸露管道处发生漂管甚至断管事故，给企业造成严重的经济损失和一定的负面影响[1]。

输气管道发生漂管后，导致破坏的方式主要有管线共振和疲劳破坏两种[2]。近些年，许多专家学者通过模糊综合评判法、解析法、仿真模拟等方法分析穿越河流段管道应力情况，研究水体作用下的管道风险评估，并探讨了相应防治措施[3-6]。漂管后，管道位置发生变化，使管道处于较不利的应力状态，需对漂管后的管道应力状态进行核算，确保输气管道安全、平稳运行。本文以国内发生的一次典型漂管事件为例，对漂管应力状态进行研究和分析。

1 漂管事件概况

1.1 漂管事件

我国丘陵地段的某条天然气管道，在一次大暴雨之后，约150 m管道被暴雨冲出，出现漂管情况，如图1所示。

漂管后，管道运营方及时关闭阀门并降低了管道运行压力，现场抢修人员采取排水以降低水位的紧急处理方案。抽水后，管道发生部分回落，但因淤泥堆积，管道未能回落至原始位置，在水平和垂直方向仍有一定的位移量，使管道产生了一定附加应力。为防止降雨时再次发生漂管，在管道上方布置了压重块。

图1 管道漂管现场照片

1.2 管道基本参数

漂管段管道基本参数见表1所示。

表1 管道基本参数

2 漂管原因及预防措施

单位长度配重的Waw计算如公式(1)所示。

Waw=F-Wp

(1)

式中，Waw为单位长度管道配重，N；F为单位长度管道所受浮力，N；Wp为单位长度管道重力，N。

管道外径711 mm，壁厚10.3 mm，计算得单位长度管道重力Wp=1 744.3 N，单位长度管道浮力F=3 890.9 N。单位长度管道浮力大于重力，管道在浮力作用下将发生漂管，需在管道上增设配重(如配重块或平衡压袋)，以抵消管道的浮力。

为防止管道发生漂管，还可对埋地管道设置螺旋地锚，将管道通过束带锚固定于管沟底部进行保护。国内常用的防漂管措施还有箱涵、U型槽、硬覆盖和石笼等[7]，国外还有采用固定墩、土工织物等新型稳管技术[8]。

3 漂管后管道应力分析

3.1 管道位移数据

水位回落后的管道在水平方向和竖直方向均发生了位移，对管道产生了附加应力。通过选取漂管后管道5个点(位置点选取见图2)的精确位置坐标，与管道竣工时的坐标对比后，确定管道漂管的位移量。其中，ΔX为沿管道轴线方向的水平位移分量(测点5指向测点1为正)，ΔY为垂直于管道轴线方向的水平位移分量(指向内弧侧为正)，ΔH为管道竖直方向的位移分量(向上为正)，管道具体位移量数据如表2所示。

图2 管道位置测量点示意图

坐标点序号位置说明位移分量ΔXΔYΔH水平位移量总位移量1出土点0.072-0.3640.5240.3710.6422-0.165-0.0910.5890.1880.6193冷弯管-0.553-0.1050.5320.5630.7754-0.071-0.0970.5120.1200.5265-0.269-0.1510.4610.3090.5556出土点00000

3.2 有限元计算模型

采用ANSYS有限元软件对4 MPa设计压力和漂管后0.3 MPa运行压力两种工况的管道应力状态进行分析计算。计算中采用以下力学模型：管道采用弹塑性非线性材料模拟，土体采用非线性土弹簧模拟，管道和土体之间的相互作用采用土弹簧模拟，土弹簧参数参考ASCE(Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe、Guideline for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline System)和GB50470-2008[9]选取。漂管暴露段管道外侧再建立200 m长的管道模型，以模拟埋地管道对漂管段管道的约束作用，模型两端施加刚性约束，采用施加位移的方式模拟管道变形后的位移量。

3.3 管道应力校核

管道漂管裸露后为非约束管道，根据《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》(ASME B31.8-2010)[10](简称ASME B31.8)中非约束管道的定义及方法，对4 MPa设计压力和漂管后0.3 MPa运行压力两种工况下管道应力进行校核。规范中，将管道应力分为一次应力和二次应力，分别进行校核，校核结果见表3和表4。

1) 4 MPa设计压力工况的校核结果

表3 4 MPa设计压力校核结果

2) 0.3 MPa压力工况下校核结果

表4 0.3 MPa内压校核结果

根据校核结果，管道漂管后，在4 MPa设计压力工况下，管道应力超出了ASME B31.8中对于非约束管道的应力要求；降低运行压力后，在0.3 MPa压力工况下，管道应力能够满足相关应力要求。说明漂管后减压运行有助于减小管道应力，保证管道安全。

3.4 处理措施

管道附加应力是由于位移引起的。为减小管道应力，应尽可能恢复管道位移。采取如下措施：

1) 管沟开挖

管道位置下方进行人工开挖，深度从0 m～0.5 m渐变。管道每隔20 m预留1 m宽土体暂不开挖。开挖过程中，严防开挖工具伤及防腐层及管道，同时密切关注现场管道变化。

2) 管道复位

开挖人员在管道介质流向左侧，同时开挖管沟中的预留土体，使管道依靠重力自然下沉，恢复至原始线位。每次开挖、沉管0.2 m，注意预留土体的开挖方向、开挖速度保持一致。测量人员根据现场进度实时采集数据，如发现管道位置有偏离趋势，及时调整挖掘方向和速度。

3) 坐标复测

管道复位后，再次测量管道坐标，确认数据后，每道焊口再次进行射线检测、超声检测，确定合格后进行防腐补伤、分层回填。

3.5 管道处理效果

经对比管道复位后的坐标和原始坐标可以发现，管道位移量明显减小，如表5所示。

根据ASME B31.8校核计算可知，管道复位后，在4 MPa设计压力工况下，管道应力能够满足非约束管道的应力要求，校核结果如表6所示。

表5 管道复位后位移(m)

表6 管道复位后4 MPa设计压力下校核结果

4 结论

本文通过有限元分析和计算，验证了漂管处理措施的有效性，对类似事件的处理具有实践指导意义。以工程实例为基础，总结了漂管后的处理措施，得出结论如下：1) 管道漂管发生位移后，管道应力状态会发生变化，应对漂管后管道的应力进行校核；2) 可采用配重块和螺旋地锚等措施预防漂管；3) 降低管道运行压力有助于改善管道不利的应力状态；4) 采取管道复位措施有利于减小管道应力；5) 管道复位过程中应详细制定施工措施，密切关注管道变形趋势，防止发生不可控的管道变形。