基于caesarⅱ的埋地输油管道应力分析.pdf

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1、2 0 1 4 正 第2 期管道技术P i p e l i n eT e c h n i q u e5设各 a n dE q u i p m e n t2 0 1 4N o 2基于C A E S A R1 I 的埋地输油管道应力分析吴新果1 ，周峤1 ，卢泓方2( 1 新疆石油勘察设计研究院( 有限公司) ，新疆乌鲁木齐8 3 0 0 2 6 ；2 西南石油大学石油工程学院，四川成都6 1 0 5 0 0 )摘要：管道设计是施工质量的基础，管道设计的合理性直接关系到管道的结构安全。为了保证管道设计的合理性，确保管道在各种工况下都能够安全运营，应用C A E S A R U 软件，建立埋地管道模

2、型，对埋地管道进行应力分析。将分析结果进行模拟，得出结论：无论何种工况下，弯管都是应力危险的关键点；不同工况的应力影响因素不同。通过应力分析，可以为管道全线提供应力分析报告，从应力方面证明管道设计的安全性和科学性。关键词：管道设计；埋地管道；应力分析；C A E S A R I I 软件中图分类号：T E 8文献标识码：A文章编号：1 0 0 4 9 6 1 4 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 1 6 0 3S t r e s sA n a l y s i so fC A E S A Rl I b a s e dB n r i e dO i lP i p e l i n e sW UX

3、 i n g u 0 1 ，Z H O UQ i a 0 1 ，L UH o n g f a n 9 2( 1 X i n j i a n gP e t r o l e u mI n v e s t i g a t i o nD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t e ( C o L t d ) ，U r u m c h i8 3 0 0 2 6 ，C h i n a ；2 S o u t h w e s tP e t r o l e u mU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 5 0 0 ，C h

4、 i n a )A b s t r a c t ：P i p e l i n ed e s i g ni st h eb a s eo ft h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t y T h er a t i o n a l i t yo ft h ep i p e l i n ed e s i g ni sr e l a t e dd i r e c t l yt ot h es t r u c t u r a ls a f e t yo fap i p e l i n e I no r d e rt Om e e tt h er a t i o n a

5、 lr e q u i r e m e n t so fp i p e l i n ed e s i g na n de n s u r et h ep i p e l i n e Ss a f eo p e r -a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h ep a p e ru s e sC A E S A RI Is o f t w a r et ob u i l dab u r i e dp i p em o d e la n dc a r r yo u tt h es t r e s sa n a l y t

6、 i c a l T os i m u l a t et h ea n a l y t i c a lr e s u l t s ，i tg e t st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：W h a t e v e rt h ec o n d i t i o n sa r e ，p i p eb e n d sa r ea l w a y st h es t r e s sd a n g e r o u sp o i n t ，a n dd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sh a

7、 v ed i f f e r e n ti n f l u e n c ef a c t o r s T h r o u g ht h es t a t i ca n a l y s i s ，i tp r o v i d e ss t r e s sa n a l y s i sr e p o r t so nt h ew h o l ep i p e l i n ea n dp r o v et h es e c u r i t ya n ds c i e n t i f i cp r o p e r t yo ft h ep i p e l i n ed e s i g n K e y

8、w o r d s ：p i p e l i n ed e s i g n ；b u r i e dp i p e l i n e s ；s t r e s sa n a l y s i s ；C A E S A RI Is o f t w a r e0引言随着工艺技术的发展，管道的压力、温度不断提高，管径和壁厚不断增大，管道应力分析也受到越来越多的重视。管道应力分析是指对管道进行包括应力计算在内的力学分析，使分析结果满足标准规范的要求。对于穿越管段来说，设计不合理、施工质量问题、管道腐蚀等原因，都会造成穿越管段失效，形成管道事故。为了确保管道在各种工况下都能够安全运行，减少安全隐患，要研究管

9、道应力分布情况，为管道全线提供应力分析报告，提高管道设计的合理性和科学性旧J 。1 应力分析基本理论1 1 应力分析基本任务管道应力分析可以分为动力分析和静力分析两部分J 。静力分析的基本任务包括：一次应力分析；二次应力分析；管系位移计算；埋地管的稳定性计算等。文中对埋地输油管道进行静力分析。 1 2 应力校核一次应力是由于压力、重力和其他外力载荷作用收稿日期：2 0 1 3 0 8 2 8收修改稿日期：2 0 1 3 1 0 0 5而在管道内部产生的应力。它是平衡外力荷载所需的，随外力荷载的增加而增加。其特点是无自限性，引起的主要是塑性破坏。二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷 载的作

10、用使管道变形受约束而产生的应力。它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。其特点是具有自限性，引起的主要是疲劳破坏。综合应力是由于荷载、结构形状的局部突变而引 起的局部应力集中的最高应力值，是一次和二次应力的综合4 | 。 2 应用实例以风城稠油外输管道白杨河穿越段为例建立埋地管道模型，如图1 所示。管道基本参数为：直径4 5 7m m ，壁厚8 7m m ，管材I A 5 0 A P I5 LX 6 5 ，操作温度8 5 ，操作压力1 2M P a ，水平穿越长度为3 0 0m ，冷弯弯管R = 4 0 D =1 82 8 0m i l l 将管道基本参

11、数输人C A E S A R 软件的管道输入表之后，进行弯管、约束的设置。河床段埋地管道受万方数据第2 期吴新果等：基于C A E S A R l l 的埋地输油管道应力分析1 71表l 。表1河流穿越段埋地管道所受基本载荷图1 管道模型 到均匀的地下水浮力影响，对其添加均布应力。为了防止管道出现漂管现象，对河床段管线每隔3m 设压重块以抗浮，即每隔3m 添加集中应力，方向和均布应力方向相反。管道模型建好以后，进行错误检查。如果发现错误，返回修改参数。没有错误，将生成重心报告，显示分析数据。2 1 土壤约束的加载埋地管线承受着来自土壤的连续约束，特别是长直管道存在自然锚固现象J 。因此，需要建

12、立真实客观的土壤模型，对管道和土壤的相互作用进行模拟。在C A E S A RI I 软件的主界面菜单中选择I n p u t U n d e r g r o u n d ，进入埋地管线模块，对埋地管单元进行土壤模型的加载。白杨河穿越段土壤参数：土壤摩擦系数0 5 ；土壤密度0 0 0 17k s c m 3 ，管道埋深1 6 6 3m ，土壤内摩擦角3 5 。，回填夯实系数4 ，屈服位移系数0 0 1 5 ，热膨胀系数值1 2 ，温度变化量6 5 由于河床底部和岸边管道埋深不同，建立了2 种不同的管道模型。土壤模型输入界面见图2 。图2 土壤模型输入界面 通过土壤约束的加载，利用C A E

13、S A R1 1 软件可分析得出埋地管道的管单元虚拟锚固长度( 过渡段长度) 、轴向刚度、横向刚度、屈服位移、弹性臂长等数据。土壤模型建立以后，才正式完成埋地管道模型的建立。之后可以对其添加工况，进行静态分析。2 2 载荷工况的加载根据建立管道模型时各种参数和应力的加载，C A E S A R I I 软件自动生成不同的载荷分量，管道设计人员可按不同工况的需要和一次应力、二次应力校核标准，对这些载荷分量进行组合。该模型基本载荷见载荷说明质量载荷。管道自重及管道内介质质量质量载荷。管道自重及水的质量质量载荷。管道自重不含任何介质温度载荷。取管道全年平均运行温度压力载荷。管道操作压力压力载荷。水压

14、试验压力分布载荷。穿越管道中，水对管道的作用集中载荷。穿越河流段，压重块对管道的作用将表1 中载荷进行组合，建立安装、试压、运行工况的载荷加载条件，将定义好的组合工况输入到软件中的工况编辑器，进行静态分析，静态分析处理器界面见图3 。通过此输出处理器界面，可以选择对分析结果进行图文交互的3 D 显示，也可以选择以动画形式检查管道模型受力分析结果。图3 静态分析输出处理器界面2 3 分析结果C A E S A R1 1 软件图文交互的3 D 静态分析结果界面如图4 所示? +，、一、o + - 02 ，i ，口一一吐。i t，* 。o “-。t ，一oJ ，J z ：“J | 4 ：L ，二i。

15、，i1t“攀“”篓孽掣鬻等雾熏图4 静态分析结果将界面下方的分析数据导人E x c e l 表中进行模拟，可以更直观地看出应力在不同工况下的变化趋势。塑w唧眦TH 呻n“p Hn靠_”舯”a”淄裂鬻矧嚣麓慧骚瓣纛辫纛激一*罄：=“够漩糍湍嬲_l|量i|：激：。；=_nn“w蒜黑蒜懋搽慧茹j；豢鬻鬃蒸万方数据18P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n tM a t 2 0 1 4图5 是安装工况下管线上所有节点所占许用应力的应力比率变化趋势图。图5 安装工况应力比率分布图从图5 可以看出，安装工况下，最高应力发生在弯管4 附近，说

16、明弯管是应力分析的关键点。同时，此工况下最高应力所占应力比率为2 8 3 。根据输油管道工程设计规范G B 5 0 2 5 3 2 0 0 3 规定，钢管的许用剪应力不应超过其最低屈服强度的4 5 ，支承外载荷作用下的许用应力( 端面承压) 不应超过其最低屈服强度的9 0 ，可见此管道设计满足强度和柔性要求。同理，将试压工况下管线上所有节点一次应力、二次应力、综合应力所占许用应力的应力比率绘制应力比率变化趋势图，可以得出：试压工况下综合应力和一次应力最高应力产生点相同，都产生在弯管1 附近，说明压力载荷是试压工况下的主要影响因素。此工况下最高应力所占应力比率为4 3 ，满足规范要求，满足管道设

17、计的强度和柔性要求。将运行工况下管线上所有节点一次应力、二次应力、综合应力所占许用应力的应力比率绘制应力比率变化趋势图，可以得出：综合应力和二次应力最高应力产生点相同，都产生在弯管2 附近，说明温度是运行工况下的主要影响因素。同时也再次证明了弯管是应力分析的关键点。此工况下最高应力所占应力比率为7 2 6 ，满足规范要求，满足管道设计的强度和柔性要求。 3 结束语从应力分析数据可以得出：( 1 ) 无论何种工况下，弯管是应力危险的关键点。虽然安装、试压、运行工况的最高应力点产生在不同的节点，但都集中在弯管处。( 2 ) 不同工况的应力影响因素不同。分析数据表明，温度是安装和运行工况的主要应力影

18、响因素，压力是试压工况的主要应力影响因素。( 3 ) 运行工况的应力比率远大于安装和试压工况的应力比率，可采取以下措施来降低应力比率：在弯头附近设置锚固点，阻挡直段位移；加厚弯头壁厚或 增大弯曲半径；在横向变形段弯头附近设置软回填，加大弹性臂长等。参考文献： 1 唐永进压力管道应力分析北京：中国石化出版社，2 0 1 0 ：1 1 2 4 2 王明春油气输送管道应力分析及应变设计研究： 学位论文 成都：西南石油大学，2 0 0 6 3 邓道明管道轴向应力校核浅析石油规划设计，1 9 9 5( 4 ) ：2 9 3 0 4 黄坤，吴世娟，卢泓方，等沿坡敷设输气管道应力分析天然气与石油，2 0 1

19、 2 ，3 0 ( 4 ) ：1 4 5 杨立雷，王荣敏，张振宇，等埋地输油管道应力分析及锚固墩设计石油和化工设备，2 0 1 1 ，1 4 ( 1 2 ) ：2 3 2 5 作者简介：吴新果( 1 9 8 4 一) ，助理工程师，主要从事油气储运方面的研究工作。E m a i l ：a n y w a y 4 1 2 5 1 6 3 t o m( 上接第1 5 页)表1 管道部分场站、阀室的气头到达时间6 结束语综上可见，中贵天然气管道工程的中卫一南部段高落差管道投产所面临的来气的高压差，以及因此而 需要确定的注氮量、注醇量等，给管道的投产设计带来了困难。中卫一南部段的投产实践成功克服了以上

20、不利因素，可为其他天然气管道投产提供参考。参考文献： 1 G B5 0 2 5 1 - - 2 0 0 3 输气管道工程设计规范 2 S Y T5 9 2 2 - - 2 0 1 2 天然气管道运行规范 3 G B5 0 3 6 9 - - 2 0 0 6 油气长输管道工程施工及验收规范 4 Q S Y G D 0 2 0 8 2 2 0 1 2 输气管道投产方案编制导则第二部分：天然气管道 5 姜进田，高斌中乌天然气管道A 线绕行段天然气置换投产油气储运，2 0 1 1 ( 8 ) ：6 1 4 6 1 8 6 刘建新，李刚川川气东送管道江西支线的投产置换油气储运，2 0 1 1 ( 4 )

21、 ：2 7 6 2 7 8 作者简介：温晓峰( 1 9 8 4 一) ，助理工程师，硕士，研究方向为天然气管道运行。E - m a i l ：2 8 9 1 6 0 0 9 5 q q c o r n万方数据基于CAESAR的埋地输油管道应力分析基于CAESAR的埋地输油管道应力分析作者：吴新果， 周峤， 卢泓方， WU Xin-guo， ZHOU Qiao， LU Hong-fang 作者单位：吴新果,周峤,WU Xin-guo,ZHOU Qiao(新疆石油勘察设计研究院(有限公司),新疆乌鲁木齐,830026)， 卢 泓方,LU Hong-fang(西南石油大学石油工程学院,四川成都,61

22、0500) 刊名：管道技术与设备 英文刊名：Pipeline Technology and Equipment 年，卷(期)：2014(2)参考文献(5条)参考文献(5条)1.唐永进 压力管道应力分析 20102.王明春 油气输送管道应力分析及应变设计研究学位论文 20063.邓道明 管道轴向应力校核浅析 1995(04)4.黄坤,吴世娟,卢泓方,鲜燕,苏庆伟 沿坡敷设输气管道应力分析期刊论文-天然气与石油 2012(4)5.杨立雷,王荣敏,张振宇,姬蕊,翟博文 埋地输油管道应力分析及锚固墩设计期刊论文-石油和化工设备 2011(12)引用本文格式：吴新果.周峤.卢泓方.WU Xin-guo.ZHOU Qiao.LU Hong-fang 基于CAESAR的埋地输油管道应力分析期刊论文-管道技术与设备 2014(2)