载荷作用下的天然气管道斜接管强度评估

张利杰 贺新红

（浙江省电力建设有限公司，浙江宁波 315000）

0 引言

天然气是现今使用较为广泛的清洁能源之一，在中国能源结构调整中占据着关键位置，也是改善生态环境的主要途径之一。调查研究数据显示，截至2021年底，中国天然气消费量达到了3 726亿m3，在能源消费中占比较大，并呈现出逐年递增的趋势。由此可见，天然气发展情况的好坏直接关系着中国社会经济发展状况。管道是天然气运输的关键载体，目前，中国已经完成全国管网的建设，主要包含主干线、联络线、省际线、配气线等。随着经济水平的不断提升，天然气供应需求量急剧增加，对天然气管道建设提出了更高的要求，管道能否稳定、安全运行成为影响天然气供应的关键所在[1]。

近年来，天然气管道斜接管安全事故频发，给相关部门留下了惨痛的教训。以某省管道爆炸事故为例，该事故造成了多人受伤与死亡，经济损失高达600万元，并致使事故区域天然气供应停滞约1个月时间，这表明中国在天然气管道监控方面还存在着很多的不足。对天然气管道事故进行统计分析，发现由斜接管强度不足引发的事故在频率上占比第一，而且在提出与实施多条监管措施的背景下，此类事故发生频率依旧居高不下，故提出了载荷作用下天然气管道斜接管强度评估方法的研究。

1 天然气管道斜接管强度评估方法研究

1.1 斜接管有限元模型构建

为提升斜接管强度评估的精度，首要任务就是构建斜接管有限元模型，并对其进行有限元分析，为后续极限载荷的计算奠定坚实的基础[2]。

斜接管有限元分析结果与其单元形式之间存在着紧密的联系，单元形式选取是否正确会影响强度评估结果的精度，由此可见，正确选取单元形式是有限元分析的基础与前提。单元形式主要包括面、线、板壳和三维实体[3]，在斜接管有限元模型构建过程中，通过每种单元形式优劣势的分析与探究，结合斜接管的实际情况，选取三维实体单元形式作为有限元模型构建单元，其能够清晰地模拟斜接管完整应力分布情况，并且该单元形式适应性较强，能与多种形状相协调，更加能够体现斜接管与管道连接位置的实际情况，为有限元分析提供支撑。

斜接管有限元模型构建过程中，网格划分也是一个至关重要的环节，网格质量与数量是影响后续分析与计算的关键因素。为了提升构建模型的精密性，将其分割为三个部分，分别为管道、斜接管及二者连接区域。需要注意的是，对管道与斜接管连接区域的网格划分应该更加精细。虽然精细网格划分会延长有限元模型构建的时间，但却能够获得精度较高的分析结果，对研究来说，利大于弊，故应最大限度地精细划分斜接管有限元模型网格[4]。

为简化研究过程，利用斜接管结构的对称性，依据上述选取的单元形式、确定的网格划分规则，截取斜接管结构的1/2进行有限元建模，具体如图1所示。

图1中，L与D表示管道的长度与内径；l与d表示斜接管的长度与内径；θ表示斜接管与管道的夹角。

图1 斜接管有限元模型示意图

以上述构建的斜接管有限元模型为基础，对其载荷与边界条件进行深入探究，为后续极限载荷的计算提供支撑。在斜接管实际应用过程中，其载荷来自多个方面的共同作用，但以内压为主[5]。常规情况下，随着内压的不断加大，斜接管与管道连接区域受到的压力也会增加，从而产生变形现象，若变形超过一定的阈值，则会导致管道破裂的事故。

斜接管载荷计算公式为：

由于构建模型具有对称性，将斜接管断面全部节点进行旋转变换，并对其进行位移约束，即可获得斜接管边界信息，为后续研究的进行提供便利。

上述过程完成了斜接管有限元模型构建，奠定了研究进行的基础与前提。

1.2 斜接管极限载荷计算

以上述构建的斜接管有限元模型为基础，衡量斜接管应力集中系数，以此确定斜接管的极限载荷，为最终斜接管强度评估的实现提供依据。

应力集中系数反映的是在载荷作用下斜接管局部范围内应力明显增大的程度，计算公式为：

式中：β为应力集中系数；υθ为实时应力值；αθ′为最大基本应力；P为极限载荷；k为斜接管管道材料厚度。

在斜接管应用过程中，随着载荷数值的不断增加，斜接管与管道连接区域最先开始屈服，应力由此向外扩展。但是，管道具有一定的弹性，当载荷数值在阈值以下时，斜接管处于弹性阶段，应力分布呈现一定的规律性，并不会对管道安全产生较大的影响[6]。当载荷数值超过阈值时，斜接管处于塑性阶段，应力分布呈现出无规律性，管道开始出现形变。形变若是过大，管道就会发生破裂，导致天然气泄漏，如在此时遇到明火，就会发生爆炸事故。需要注意的是，应力变化情况与斜接管实际结构没有关系，但其与斜接管、管道的夹角θ存在着较为密切的关系。常规情况下，应力值υθ随着夹角θ的增大而减小，两者呈现明显的负相关关系。因此，在管道建设过程中，应该尽可能采用夹角大于30°的斜接管结构。

与此同时，随着载荷数值的增加，斜接管变形程度加大。获取斜接管应力分布数值，将其代入公式（2），经过方程式求解，即可获得斜接管极限载荷P，为后续研究的进行提供助力。

1.3 斜接管内腐蚀预测

随着应用时间的增加，斜接管内部会产生腐蚀现象，这也是影响其强度的关键因素，故此节对斜接管内部腐蚀情况进行预测，为最终强度评估的实现提供依据[7]。

根据已有文献研究可知，造成管道内部腐蚀现象的主要参数为温降、压降与平均腐蚀速率。其中，温降计算公式为：

式中：T为温降参数数值；T0为管道内部初始温度；TQ为斜接管内部实时温度；M为辅助参数；CP为斜接管应力变化因子；P0为斜接管初始应力数值。

压降参数无法直接测量获得，需要通过下述方程计算而得：

式中：Z为压降参数数值；R为斜接管内部半径数值；g为重力加速度；χ为辅助运算因子，取值范围为0～1。

平均腐蚀速率需要依据实际天然气运输情况进行预测，表达式为：

式中：Vτ为平均腐蚀速率数值；p与q为随机整数；F（v）为天然气运输过程中管道的损失系数；G（t）为腐蚀时间系数；Vc为标准腐蚀速率。

依据公式（3）（4）（5）计算结果，预测斜接管内腐蚀情况，为了方便研究，将其转换为斜接管内壁面损失，表达式为：

式中：ζ为斜接管内壁面损失；σ2为斜接管内腐蚀程度参量。

一般情况下，壁面损失越大，则斜接管厚度越薄，其强度也就越差。

上述过程完成了斜接管内部腐蚀情况的预测，为研究目标的实现提供了支撑。

1.4 斜接管强度评估实现

以上述获得的斜接管内壁面损失数值为基础，制定斜接管强度评估程序与规则，获取精准的斜接管强度结果，为天然气管道的安全使用提供保障。

斜接管强度评估是天然气管道运行过程中的关键环节之一，是管道检查与维修的主要依据。依据斜接管实际作业情况，制定强度评估程序，具体如图2所示。

图2 斜接管强度评估程序图

如图2程序所示，斜接管安全系数的计算是强度评估的主要数据依据，计算公式为：

式中：Г为斜接管安全系数；ξm为腐蚀预测的分项安全系数；t为时间；η为固定的最小拉伸强度；ξd为腐蚀深度的分项安全系数；Q为长度校正系数。

以公式（7）计算结果为基础，制定强度评估规则，具体如下：

（1）当Г处于[0.0，0.3]范围内时，认定斜接管强度较差；

（2）当Г处于[0.4，0.5]范围内时，认定斜接管强度一般；

（3）当Г处于[0.6，0.8]范围内时，认定斜接管强度尚可；

（4）当Г处于[0.9，1.0]范围内时，认定斜接管强度较好。

依据上述制定的评估规则，即可实现天然气管道斜接管强度的精准评估，为天然气稳定传输提供助力。

2 实验与结果分析

2.1 实验对象概况

选取某段天然气管道作为实验对象，其长度约为8 700 km，内部包含25个斜接管，并且斜接管应用的时间长度存在着明显的差异。管道采用的是国产X80管线钢，内部包含Mo、Cr、Nb、Ni、P、C等元素，具有较好的耐腐蚀性能，可以保障天然气管道安全、经济、高效运行。

随着天然气供给需求的增加，实验对象——天然气管道面临着较大的挑战，对斜接管性能的要求更高，因此需要对斜接管强度进行实时监测，符合所提方法应用性能的测试需求。

2.2 实验结果分析

以上述选取的实验对象为依据，进行天然气管道斜接管强度评估实验。为凸显本文所提方法的应用性能，选取含等壁厚体积型缺陷油气管道的剩余强度评价[8]与舰船内腐蚀海水管路剩余强度预测模型及试验验证[9]作为对比方法1与2，并选取斜接管极限载荷计算误差与斜接管强度评估结果作为评价指标。

通过实验获得斜接管极限载荷计算误差数据如图3所示。

图3 斜接管极限载荷计算误差数据图

如图3数据所示，相较于两种对比方法，应用本文方法获得的斜接管极限载荷计算误差数值更小，最小值为0.2%。

通过实验获得斜接管强度评估结果如表1所示。

表1 斜接管强度评估结果表

如表1内容所示，应用本文方法获得的斜接管强度评估结果与实际情况保持一致，而对比方法1与2获得的斜接管强度评估结果与实际情况存在较大偏差，说明应用本文方法获得的斜接管强度评估精度较高。

上述实验数据显示，与两种对比方法相比较，应用本文方法获得的斜接管极限载荷计算误差较小，斜接管强度评估结果与实际情况趋于一致，充分证实了本文方法应用性能更好。

3 结语

天然气是现今社会应用极为广泛的清洁能源之一，其主要通过管道进行运输，管道是否安全直接关系天然气企业的发展，故提出载荷作用下的天然气管道斜接管强度评估方法研究。本文所提方法有效降低了斜接管极限载荷计算误差，提升了斜接管强度评估精度，为天然气管道管控提供了更加精准的数据支撑，也为相关研究提供了一定的借鉴与参考。