含硫油气田埋地弯管应力分析研究

曾文广，温宁华，许艳艳，高 亮，肖雯雯，王毛毛，陈迎锋

(1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国石油化工集团公司碳酸盐岩缝洞型油藏提高采收率重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；3.安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 102209)

0 前 言

油田集输管线大多都是埋地管线，埋地管道在运行过程中除了承受内压载荷和轴向载荷外，还会受温度载荷及外界其他载荷的影响。管道在多种载荷作用下会发生轴向与横向位移，导致管道损伤；弯管位置由于几何不连续性会导致应力增加，更容易发生危险[1，2]。目前对于弯管的研究集中在曲率半径、管径和壁厚等单一因素变化对弯管受力影响的方面[3-5]，对不同结构弯管方面也有所研究[6-8]，梁政[3]明确了利用“弹性抗弯铰”进行弯头受力计算的方法，并进行了强度校验；郭婷婷等[6]利用ANSYS有限元软件进行数值模拟，分析了弯管管径、壁厚等对40°～90°供热直埋折角 弯管应力的影响规律，但对于弯管受服役工况变化等多因素综合评价方面的研究较少，直接指导现场弯管风险排查具有一定的局限性。本工作以某油田油气混输管线数据为依据，利用CARSAR2管道应力分析软件计算管线典型位置弯管的受力情况，对影响弯管应力参数敏感性因素进行分析，建立弯管处应力评价综合影响因子模型，以为现场工程弯管受力风险快速排查、管道维护和施工提供支撑。

1 管道受力计算方法

对于长输或集输液态介质埋地管道的应力校核根据ASME B31.4-2016“Pipe Line Transportation Systems For Liquids And Slurries”[9]将埋地管道分为3部分，分别为架空段、过渡段、自然锚固段，其中架空段为管道出土后的管段，其不受土壤约束；由于温差产生的热推力大于土壤对管道产生的摩擦力，过渡段管道可以沿轴向发生位移；由于温差产生的热推力等于土壤对管道产生的摩擦力，自然锚固段管道不会发生轴向位移。

针对埋地管道，不考虑架空段，对于埋地段，自然锚固段管道轴向变形被土壤限制，转化为载荷和压应力。过渡段管道为自由端与自然锚固端之间的区域，摩擦力不断提高，区域内变形可分为轴向变形和横向变形(横向变形通常发生与弯管、三通区域)。

1.1 自然锚固段计算方法解析

自然锚固段管道不发生变形，仅考虑在静态载荷下的应力校核即可。自然锚固段的校核公式：

|SE-SH|+Sθ≤0.9σy

式中：SE为热胀推力，MPa；SH为内压导致泊松效应力，MPa；Sθ为弯曲应力，MPa；σy为屈服强度，MPa。

1.2 过渡段计算方法解析

轴向变形计算最小锚固段的长度可以由下式给出：

式中：SE为热胀推力，MPa；SH为内压导致泊松效应力，MPa；SF为内压导致的轴向压力，MPa；Fax为土壤对管道轴向极限摩擦载荷，MPa。

大于此长度的管段将被完全约束住，不发生移动，所以重点关注活动段的受力分析。

横向变形计算弯管处横向变形导致的弯曲应力可以由下式计算：

式中：M为弯矩，Nm；E为弹性模量，MPa；I为极惯性矩，Nm。

因此，过渡段的校核公式：

式中：A为管道横截面金属面积，cm2；μ为土壤摩擦系数；Sb为弯头处横向变形导致的弯曲应力，MPa。

2 典型埋地管道力学建模

本工作应用CAESAR2软件进行埋地管道力学分析，CAESAR2软件本质上采用有限元方法进行管道受力计算[10，11]，然后根据长输油气管道评价标准对管道应力进行校核，评价管道安全状态。

某油气混输管线2013年10月18日投用，采用L245NS无缝钢管，管线规格为φ168 mm×5 mm，长度为6.93 km，屈服强度为245 MPa，极限强度为415 MPa，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，弯管采用规格为φ168 mm×6.0 mm-R900 mm，L245NS，R=nD=6D(R为弯头曲率半径，D为弯管直径)的热煨弯管，管道安装时温度为30 ℃，输送原油密度介于0.806 5～0.853 5 g/cm3，温度为40～70 ℃，管道设计压力为2.5 MPa。

输入管道单元的长度(每个点的坐标值)、弯管半径、管道运行压力、运行温度、管道材质等基础信息；根据管线实际图纸及实际工况，建立几何模型及管道模型(见图1和图2)。针对已建模型，对OPE工况(运行状态工况组合)下，包括对重力载荷、内压载荷、温度载荷进行计算，获取每个节点处的弯管应力变化情况。

图1 某管线管几何模型

图2 管道模型

3 影响弯管应力参数敏感性分析

管线在运行过程中，弯管处应力影响因素包括：土壤摩擦系数、土壤内摩擦角、土壤夯实程度、弯管曲率半径、弯管角度、管道运行温度、管道运行压力等因素。

3.1 土壤摩擦系数对弯管应力的影响

土壤摩擦系数影响管道轴向力分布，通过CAESAR2软件模拟计算土壤摩擦系数对弯管应力影响，由图3可知：随着土壤摩擦系数的增加，弯管处应力逐渐降低，且降低幅度不受压力和温度载荷的变化影响。

图3 土壤摩擦系数对弯管应力影响

3.2 土壤内摩擦角对弯管处应力的影响

土壤内摩擦角影响管道的横向刚度，通过CAESAR2软件模拟计算土壤内摩擦角对弯管应力影响，由图4可知：弯管处的应力随着土壤内摩擦角的增加而增加，且不受温度载荷和压力载荷的变化影响。

图4 土壤内摩擦角对弯管应力影响

3.3 土壤回填系数(夯实程度)对弯管处应力的影响

土壤夯实程度影响管道横向刚度，通过CAESAR2软件模拟计算土壤回填系数对弯管应力的影响，由图5可知：弯管处的应力随着土壤夯实程度的增加先增加再缓慢减小，温度载荷与压力载荷具有一定影响，但是影响较小可以忽略。

图5 土壤回填系数对弯管应力影响

3.4 弯管直径对弯管处应力的影响

弯管曲率半径、弯管角度影响弯管附近轴向力分布，根据管线实际运行情况对模型进行参数设定，当环境温度为10 ℃，运行温度为60 ℃，运行压力为2.5 MPa时，通过CAESAR2软件模拟计算弯管曲率半径对弯管应力的变化关系，由图6可知：弯管处应力随着弯管直径的增加而减小，当弯管直径较小时，减小幅度较大，当弯管直径较大时，减小幅度趋于平缓。

图6 弯管曲率半径对弯管应力的变化关系

3.5 管道运行温度对弯管处应力的影响

管道运行温度影响管道轴向力分布，当弯管曲率半径为6倍管道直径，运行压力为2.5 MPa，环境温度为10 ℃时，通过软件模拟计算弯管处应力随运行温度的变化关系，由图7可知：弯管处应力随着运行温度的升高而增大，近似呈线性关系。

图7 弯管处应力随运行温度的变化

3.6 弯管角度与温度对弯管应力的影响

通过CAESAR2软件对弯管角度与温度对弯管应力的影响进行计算，由图8可知温度升高对小角度弯管的影响大于大角度弯管。由图9弯管角度对弯管应力的影响可知，当弯管角度在30°～90°之间时，弯管角度越小，相同条件下弯管处的应力越大，大于90°时，随着弯管角度增加，应力随之增加，弯管角度为90°时，应力最小。

图8 弯管温度对弯管应力的影响

图9 弯管角度对弯管应力的影响

3.7 运行压力与温度对弯管处应力的影响

管道运行压力影响管道轴向力分布与应力校核，由图10可知：在运行温度较高的工况下，弯管处应力随着运行压力的增加而降低；在运行温度较低的工况下，弯管处应力随着运行压力的增加而增加。

图10 运行压力对弯管应力的影响

温度载荷在弯管处产生的为压应力，而内压载荷产生的为拉应力，由图11可知，在运行温度较低工况下，内压载荷占据主导作用，弯管处为拉应力，所以随着运行压力增加，弯管处应力增加，在运行温度较高的工况下，温度载荷占据主导作用，弯管处为压应力，所以随着运行压力的增加，弯管处应力降低。

图11 运行温度对弯管应力的影响

4 弯管应力力学评价综合参数影响因子

为了方便实际工程弯管应力分析，判断管线不同弯管的应力水平，根据弯管处的主要影响参数，确定弯管处应力评价综合参数影响因子μ，可由下式给出：

μ=α·β·λ·γ·ω

其中：α为土壤摩擦系数影响因子；β为土壤内摩擦角影响因子；λ为土壤夯实系数影响因子；γ为弯管角度-温度综合影响因子；ω为运行压力-温度综合影响因子。各因子参量的取值如表1～5所示。根据管线实际运行情况，可对各因子进行取值，综合计算μ的变化，弯管应力评价综合参数影响因子μ值越大说明弯管风险越高，从而通过μ值的变化对弯管风险进行快速排查。

表1 土壤摩擦系数影响因子

表2 土壤内摩擦角影响因子

表3 土壤夯实系数影响因子

表4 弯管角度-温度综合影响因子

表5 运行压力-温度综合影响因子

5 结 论

(1)弯管处应力随着运行温度的升高而增加，且近似呈线性关系；在运行温度较高的工况下，弯管处应力随着运行压力的增加而降低；在运行温度较低的工况下，弯管处应力随着运行压力的增加而增加；弯管处应力随着弯管角度的增加，先增加后降低。

(2)通过对影响弯管处应力的参数敏感性分析，得出主要参数的影响因子，最终确定了弯管处应力评价综合参数影响因子，因子μ值越大说明弯管风险越高，利用弯管处应力评价综合参数影响因子的大小，可进行现场工程弯管风险快速排查。