输油管道特殊段应力分析及安全性综述

郭敬超

摘要：输油管道是国家能源的大动脉之一，其安全运营对国家经济发展有非常重大的影响。近年来，随着工业化进程和城市化速度的不断加快，我国国内管道数量不断增加，特别是用于运输原油、天然气、成品油等介质的管道迅速发展。我国地形复杂多样，使得管道一般要穿越隧道、跨越障碍物等特殊的地方，这些地方的管段施工、检修和安全状态检测难度较大，一旦管道发生失效，将造成人员的伤亡，环境污染等严重的后果。为了保证管道的安全运行，我们必须重点对这些特殊管段进行应力分析和安全性研究。

关键词：输油管道，跨越管道，隧道内管道

管道是能源运输的主要方式，在石油工业发展发挥着重的作用。管道输送的介质有水、水蒸气、天然气、石油、乙烯等化工介质，在输送过程中常伴有高温高压。随着我国国民经济的不断发展和城市化进程的提速，管道建设迎来了大发展。用于输送石油产品和天然气介质的管道数量需求日益增大[1]。大多数情况下管道采用埋地敷设，而且常常经过人口密集区，有时甚至会遇到，此时就大大增加了管道敷设、检修和维护的难度，不仅如此，管道内的输送的介质常常具有易燃、易爆或有毒等特性，势必增加了燃烧、爆炸或中毒等事故的发生的概率，所以当遇到需穿越隧道、跨越障碍物等情况时，必须严格遵守相关施标准和规范，确保管道安全运行[2]。在国内外管道失效事故时有发生，其原因除了施工质量、设计、疲劳、腐蚀问题等外，还有就是在管道穿越隧道、跨越河流障碍物等的特殊管段由于应力分布不均产生的失效破坏。为了确保管道的安全运行和人民财产安全，就必须准确的对管道的特殊管段应力应变进行分析，从而确保管道安全。

1 管道应力分析

管道应力分析主要是确保管道应力在规定的范围内满足管道的强度和柔性的要求，对管道力学的分析和评定，有效解决管道受力问题，为设计提供理论依据。管道应力分析分分两步进行，首先根据管道受到应力算出位移量、内力和应力等力学参数，然后根据安评标准对比得出的力学性能是否满足管道安全需求。因此，为确保管道安全、运行平稳，就必须对管道进行应力分析。管道应力分析有三个好处：一、依据管道周边的地理信息，为设计管道提供足够的强度，降低管道安装期间的应力等力学参数对管道产生的影响，从而规避管道发生塑性变形，确保管道安全运行;二、在设计管道时为管道提供足够的柔性，从而使管系依靠自身足够的柔性吸收管道在冷热变换时产生的形变量，确保管道运行平稳。三、应力分析确保管道设计时更具科学性，既能符合国家标准和安全规范，又能满足工程预算的要求，做到经济合理。

对特殊管段进行应力分析，这不仅可以为敷设管道的各个阶段提供理论依据，并且能根据管道所处的地理情况弥补管系的特殊管段产生的各种应力，从而消除各种应力带来的隐患，保证管道的平稳安全运行，提高管输效率。以此为基础对管道进行更加全面安全性分析，找出影响管道发生故障的各种因素，得出管道事故发生的概率，分析各因素产生的几率、重要程度对管道事故概率的影响;通过对各因素的分析，提出科学、合理的预防措施来避免事故的发生，为管道的安全运行提供理论支持。

2 研究背景

随着油气田开采的快速增长，管道作为油气运输的主要手段受到越来越多的重视，经过一代又一代的专家、学者等的不懈努力，油气储运已经取得了一定的进展。管道应力分析作为油气管道设计、施工的重要一环，为确保安全生产、优化设计、降低施工和维护成本等方面发挥着重要作用。除了在石油、天然气运输方面，在化工、热力、电力等燃化工业管道设计中也具有举足轻重的作用。

2.1 国外研究综述

北欧以一维模型作为管道的强度标准进行计算，在不考虑内部压力的情况下，把补偿器和弯头简化为自由端，把温度变化引起的热应力作为热管道唯一载荷;在进行应力分析才把内部所受压力考虑进去，然后用弹性力学理论进行分析，分析过程中不考虑塑性变形。长输管线强度设计准则：由苏联彼从事全苏干线管道建设科学研究得罗夫等创立的极限状态设计理论。可靠性系数在1975年引被入了设计规范中，金属管道的弹塑性强度极限即第一极限状态设计——在内压力作用下被管道破坏;然后按第二极限状态来校核金属管道的弹性屈服极限，即管道环、纵向应力的当量应力不能大于两个极限应力值。以极限状态法为基础苏联长输管线设计规范，与美国和西德的许用应力法相比，苏联的设计规范更为经济，而美国和西德则偏保守。到90年代中期，一种新的设计管线强度的方法被专家提出，这种方法通过减薄管壁厚降低作业量、降低成本和生产费用。把非线性运算运用到研究過程设计方法，使得ASMEB31.4和B31.8规范被得到认可。前苏联的管道输送规范中规定：在进行管线应力分析时，必须考虑管线钢的非线性特性。因此，随着科学技术的不断发展，长输管线强度设计理论、准则还在不断地发展和完善中。

2.2国内研究综述

国内学者专家在管道应力分析方面也取得了一些研究成果，如西南石油学院的邓道明对无固定墩两端埋地跨越管道的自振频率提出了新的计算方法，在其取得的成果表明：自振频率设计计算应考虑当量轴向力和埋地相邻管道之间的相互作用，因而推到出了无固定墩埋地管道固有频率的特征方程。在原有的计算公式上，得出新的计算公式。从研究结果可以看出，对频率起主要作用是内压、温差产生的轴向当量力，如果锚固墩被取消就极大降低管道的固有频率。根据研究结果得到的计算值，系统地探讨了频率公式的可用性，从结果得出：当量轴向力、拉力为零时，计算结果有很高的精度;当压力为当量轴向力时，公式的误差比较大，此时计算固有频率时应按特征方程来计算。

又如西南石油学院的邓道明在研究有/无固定墩跨越管道的内力和变形时，在考虑几何非线性的基础上，得出内力和挠度在有固定墩跨越管道的计算公式，经简化得出具有应用价值的计算公式。得出了有/无固定墩跨越管道的内力和挠度的比较结论：添加固定墩，管道的当量轴向拉力、挠度及轴向拉力被减小，同时轴向当量轴向压力及压力增大;当轴向力改为压力，有固定墩时小于没有固定墩跨越管道的最大弯矩大于的值，若为拉力时，则大于无固定墩的最大弯矩;有固定墩的跨越管道中的弯矩的绝对值的小于嵌固端跨弯矩的绝对值。而无固定墩跨越管道的横向反力系数的值是两者大小关系的主要因素。当进行静力分析时，跨越时可不设置锚固墩的管道有：远离压缩机站的输气管道、等温输送的成品油管道以及低温LNG管道;而输热油管道通过设计方案作对比来确定是否设置锚固墩。

3 研究技术

长输管道直跨力学分析时指出：首先将埋地管线直管跨越简化为大挠度梁，考虑管道几何非线性关系，然后将埋地管道作为有限长梁，顾及土壤纵向力的非线性关系，研究了弯矩、应力、挠度在横向的分布以及温差、固定墩位置、自重、跨长及防腐层厚度变化对弯矩、应力、挠度的影响。研究结果表明：随着悬空段距离的增加，固定墩处弯矩、跨中弯矩变化过程是从小于到大的，跨度为5～10m时的跨中挠度迅速增加，随后逐渐平稳。应变的计算方法研究长输管道变形问题，得出了管道应变分析的计算方法，首先将长输管道作为简支梁，以轴线伸长为基础，据此建立了梁变形问题的方程和位移与应变之间的关系，然后根据同一基线上位置不同及同一截面的各个位置的应变值，通过位移与应变之间的关系采用数值计算的方法求解得到简支梁的变形量，最后根据应变值计算出挠度值。由于管道两端受到固定墩的约束，所以管道由于挠度存在，伸长，利用梁的大挠度理论可以计算轴线长度。这种计算方法虽然存有一定的误差，但是通过挠度曲线的计算得到的趋势有一定的可信度。清华大学的郭瑞平、李广信运用ANSYS软件对北京二里庄小区供热管网“L”形管道的固定墩受力进行了数值模拟，得出内力及位移的分布规律，并分析了各参数（结构、弯头夹角θ）对最大应力的影响。而且指出了管网中“L”形管道弯头部位容易发生破裂的原因，并得出了一系列对施工和设计有巨大参考价值的结论。中国石化集团胜利油田设计院的陈同彦、贾春磊等应用ANSYS软件对在悬索式管桥体系进行有限元结构分析，重点分析了管桥的主要构件的受力情况，并对安装尺寸的确定进行了讨论。利用悬索几何结构非线性的关系，采用ANSYS的结构分析模块，首先采用悬索体系的数学模型，然后进行索形配型，计算分析各种工况的结构静力，为确定合理的安装尺寸，为管道施工提供理论依据。

中国石油北京天然气公司的安宇、董绍华利用ANSYS软件，分析了炸药在地面爆炸时其击波对跨越段架空管道的影响，对炸药设置（炸药用量、炸药位置以及炸药与管道的距离）进行数值模拟，得出炸药设置对架空管道应力分布的影响，得出了管道在爆炸冲击中受到压应力作用，且这种作用为瞬态受力过程，这一结论解决了爆炸冲击波作用下架空管道的动力响应问题。

长江大学的陈希湘、冯然、陈誉等对天然气管道的悬索跨越结构在风载荷作用下进行响应分析，然后根据计算结果对悬索跨越结构作出安评。研究得出抗风索在风荷载作用下发挥的作用起主要作用，得出抗风索内力变化最大，主要表现在迎风面一侧的抗风索内力变大，背风面一侧的抗风索内力变小，所以提出对该类桥的桥身桁架和吊索减小截面的建议，同时将主索和抗风索截面加大，这样就可以大大提高其安全性。

天津大学的王晖、韩博等采用通用有限元分析软件ANSYS对大跨度圆弧形拱式跨越管道进行参数化建模，并计算了所建模型在多种静力荷栽共同作用下的变形与应力分布情况，对本结构不同壁厚、不同管径的模型进行了稳定性分析，以探究影响管道稳定的因素，可为圆孤形拱式跨越管道的设计提供。

西南石油大学的魏孔瑞，姚安林将油气长输埋地管道悬空段管道简化为两端弹性支撑的力学模型，悬空后可视其为具有跨越能力的悬垂跨越管道，计算油气管道悬空沉降变形引起的附加应力和最大允许悬空长度#依据强度理论，建立悬空管道沉降变形失效评估模型#最后，结合工程实例说明该评估模型的使用方法。

新疆石油勘察設计研究院的成磊，运用大质量地震输入方式，建立了ANSYS分析模型，在地震波作用下，以典型的悬索跨越管道进行非线性动力分析，得出在道地震响应结果下的悬索跨越管应力分布，并且分析了悬索跨越管道地震响应的规律和特点。研究发现当地震波作用于悬索跨越管道时，弯管处受力最大，管跨中心挠度最大，地震横波和纵波对结构影响较大。

结论

基于管道跨越结构其结构的特殊性，极容易受到断层、土体塌陷等地质灾害的影响。因此，建立了埋地管道坍塌在土壤作用下的有限元力学模型，分析了各角度（30°，40°，50°，60°）坍塌和不同长度土壤发生沉降时，悬索管道的应力变化程度。结果表明，当埋地管道的角度确定后，便可得出安全沉降距离;当埋地管道角度为50°时，沉陷长度应小于13.6m，就可保证管道不会发生塑性变形。研究的结果为埋地管道的设计提供了理论依据，研究的结果可应用在类似的埋地管道的应力设计中。

参考文献

[1]王红菊，祝悫智，张延萍.全球油气管道建设概况[J].油气储运，2015，34（01）：15-18.

[2]狄彦，帅健，王晓霖，石磊.油气管道事故原因分析及分类方法研究[J].中国安全科学学报，2013，23（07）：109-115.

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