基于应变的悬空管道性能分析.pdf

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1、2 0 1 1年 第 6 期 管 技 术 Pi pe l i n e Te c h n i q u e 5 设 备 a n d Eq u i p me n t 2 0 1 1 No 6 基于应变的悬空管道性能分析 高建 ， 王德 国 ， 何仁洋 ， 张中放。 ( 1 中国石油大学， 北京1 0 2 2 4 9； 2 中国特种设备检测研究院， 北京1 0 0 0 1 3 ； 3 中国石油塔里木油田分公司， 新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 ) 摘要： 文中对悬空管道的性能进行了分析。通过力学与有限元的结合， 将埋地管道的悬空段简化 为大挠度梁， 且考虑几何非线性， 利用A N S Y S 建立管

2、道在悬空状态下的大变形有限元模型。研究了跨 距变化情况下应变分布情况及变化规律， 并基于应变的管道设计准则， 对某悬空管道进行安全性评估。 结果表明： 拉应变最大处出现在出土端管道上表面， 跨 中管道上表面出现较大压应变。管道最大应变 在跨越长度为2 5 3 0 m时迅速增加， 跨越长度为5 0 m时达到 0 0 0 6 1 5 ， 管道易发生破坏。 关键词： 埋地管道； 悬空； 应变计算； 安全性 中图分类号 ： T E 8 8 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 49 6 1 4 ( 2 0 1 1 ) 0 60 0 1 3 0 3 P e r f o r ma n c e An

3、a l y s i s o f t h e S u s p e n d e d P i p e l i n e Ba s e d o n S t r a i n G AO J i a n ， WANG D e g u o ， HE Re n - y a n g ， Z HANG Z h o n g f a n g ( 1 C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， C hin a ； 2 C hin a S p e c i a l Eq u i p me n t I n s p

4、e c ti o n a i l d Re s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ， C hin a ； 3 P e t r o C h i n a T a r i m O i l fi e l d C o mp a n y ， K o r l a 8 4 1 0 0 0 ， C hin a ) Ab s t r a c t ： T h r o u g h t h e c o mb i n a t i o n o f me c h a n i c s a n d fi n i t e e l e me n t ， t

5、 h e s u s p e n d e d p i p e l i n e i s s i mp l i fi e d a s a l a r g e d e fl e c t i o n b e a m A NS YS i s u s e d t o e s t a b l i s h t h e l arg e d e f o r ma t i o n fi n i t e e l e me n t mo d e 1 S t r a i n d i s t r i b u t i o n and v a r i a t i o n are s t u d i e d a n d e r

6、t h e c o n d i t i o n o f d i ff e r e n t s p an s B a s e d o n t h e p i p e l i n e s t r a i n d e s i g n c r i t e r i o n t h e s a f e t y a s s e s s me n t i s p r o mo t e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma x i mu m t e n s i l e s t r a i n a p p e a r s o n t h e p i p e

7、l i n e S u r f a c e a r o u n d t h e s i d e ， t h e l arg e s t c o mp r e s s i v e s t r a i n a p p e a r s 0 n t h e p i p e l i n e s u r f a c e o f mi d d l e s p a n T h e s t r a i n i n c r e a s e s r a p i d l y a f t e r t h e s p a n o f 2 53 0 m Wh e n t h e s p a n i s 5 0 m t h

8、e s t r a i n r e a c h e s t o 0 0 0 6 1 5， a n d t h e p i p e w i l l b e d a ma g e d e a s i l y Ke y wo r d s ： b u ri e d p i p e l i n e ； s u s p e n d i n g ； s t r a i n c a l c u l a t i o n； s afe t y 0 引言 由于长距离油气输送管道周围环境复杂， 地理条 件多样， 会遇到各种各样的地质灾害区， 将会给管道 的长期安全运行构成严重威胁。例如， 由于湿陷性黄 土地质灾害的影

9、响， 马惠输油管道自建成投产后， 几 乎年年发生崩塌、 坍塌等， 直接影响了管道安全运营。 新疆库尔勒、 吐哈盆地、 甘肃白墩子、 宁夏惠安堡等严 重干旱地区， 地表多盐渍土分布， 盐渍土对混凝土和 钢管具有强腐蚀性， 对管道地基土结构破坏力很大， 容易造成管道悬空 。 目前的研究重点集 中在对地质灾害的防治上 ， 对 于建立力学模型及悬空状态下管道的基于应变失效 的分析不多 J 。国内现行的各类管道设计标准大多 数是基于应力的设计准则， 适用于外载引起的管道应 力或等效应力不高于管材最小屈服应力。但当遇到 这类 自 然灾害时， 管道应力超过比例极限后的继续变 收稿 E t 期 ： 2 0 1

10、 01 12 1 收修改稿 日期 ： 2 0 1 1 0 62 9 形， 基于应力的设计已不再适用， 此时应用基于应变 的管道安全准则更为合理。挪威、 加拿大等一些国家 已开始采用基于应变的设计准则 3 3 。基于应变设计 的管道， 以应变作为主要的设计参量， 载荷作用下管 道结构力学行 为与常规设计管道有很大不 同。管道 的主要失效模式源于大的塑性变形 ， 包括压缩状态下 的屈曲和拉伸状态下的开裂或几何变形。为使基于 应变设计的管道在较大塑性应 变状态下具有 良好安 全性， 需对悬空管道安全性进行评估。 基于应变的管道设计十分必要， 首先对管道失效 及基于应变的设计方法进行评述 ， 然后研究

11、了悬空管 道的力学模型， 将直管跨越管线悬空段简化为大挠度 梁， 考虑管梁的几何非线性 ， 将埋地段看成有限长梁， 考虑土壤纵向抗力的物理非线性， 用有限元对各种跨 越长度条件下的管道进行了应变计算， 并基于应变的 管道设计准则对悬空管道安全性进行评估。 1 设计应变及许用应变的确定方法 管道塑性变形的失效模式 ， 包括压缩状态下的屈 1 4 P i p e l i ne Te c h n i q u e a n d Eq u i p me n t NO V 2 01 l 曲和拉伸状态下的裂纹开裂或几何变形。基于应变 的安全评估方法的关键 ， 是确定管道在将要 承受 的应 变( 设计应变) 及

12、管道本身所能够承受的应变极限( 许 用应变) 。许用应变可以根据拉伸、 压缩、 弯曲等试验 或有限元分析确定 。 1 1 拉应变极 限 拉应变极限一般使用弹性和塑性相结合的方法， 给出塑性应变 的相应规定。D N VO SF 1 0 1 t 4 J 规定 累积塑性应变超过 0 3 时需要进行工程临界评价等 操作 ； 累积塑性应变超过 2 0 时还需要满足材料等 其他附加要求 。R a m b e r gO s g o o d 本构关系模 型被 广泛应用于分析管线变形性能， 其数学表达式为 =詈 + ( 1 ) 式中： 为管线的应变； 为轴向拉应力； E为管线材 料的杨式模量 ； 为管材 的屈

13、服应力 ； n为应 变钢化 系数 ， 取决于材料的常数。 对于轴心应变与弯曲应变的组合， 陆上管道的允 许拉应变为 4 ， 极限拉应变为 1 0 左右。 1 2 压应变极限 管线局部屈曲表现在管壁出现皱褶起纹， 最终产 生环管壁的裂缝。通过试验研究 ， H a l l 和 N e w ma r k f 6 认为管线屈曲失效时的应变值为 0 1 5 t R 0 2 0 t R 月为半径 ， t 为壁厚。 2 管道应变计算模型建立 图1 为悬空管道模型示意图。 埋设段 图 1 悬空管道模 型示意图 管道在一定的跨越长度下总有一定的挠度， 管道在 结构自 重及油重等外部载荷作用下， 管线受轴力引起的

14、 拉应变和弯矩引起的弯曲应变， 整个断面上的应力分布 可以通过计算得到， 悬空管道的挠屈微分方程为 2 ， 1 =S o Y + + ( 2 ) Q 二 式中： 为管道横截面的惯性矩； Y为管道的挠度； M o 为管道在嵌固端的弯矩； g 为管道所受到的横向荷载； 为跨越长度； s 。 为管道的当量轴向拉力。 断面上的最大应力 = 4 ( ) t ) 。 y为沿 跨度方向距离为 处的管道竖向位移量； D为直径。 可以得到管道的最大应变 当 ( 为应变是 0 5 时对应的强度 ) 时 ： -4 ( 3 ) 当 0 r b 时： = 百O r b + 8 r s( m “ 百 L ( 4 ) 式中

15、： = 0 0 0 5一 。 通过管材、 焊接试验等条件 ， 可以得到管道的 许用应变 ， 设计及安全评估中要求 。陆 上管道的许用应变值： 拉伸情况下为 0 0 4 ， 压缩时为 0 1 5 D 3 实例 某悬空管道为 X 6 0 焊管， 设计压力6 4 M P a ， 泊松 比0 3 ， 屈服极限4 1 3 M P a 钢管尺寸为 3 2 5 m m X 6 m m， 跨越长度为 2 0 m， 介质为油， 管顶埋深为 1 2 m， 土壤的相关参数为黏土 ， 轴 向弹簧弹性系数为 1 2 X 1 0 。N m ，横向弹簧弹性系数为6 6 1 0 N m l 8 J ， 当土 体受拉 时取弹性

16、 系数为受压时的 1 1 0 。图 2分析了 该处管道悬空处沿跨越长度方向的管道上表面应变 水平， 其中0 5 m和2 5 3 0 m处为管道埋设段， 中间 部分为悬跨段 。 图 2 悬空管道沿跨越长度方 向的上表面应变 图 2中可 以看出 ： 拉应变最大处出现在 出土端管 道上表面， 跨中管道上表面出现较大压应变。输油管 道相比输气管道应变值增加数倍。对于输油管道， 应 格外重视管道悬空的出现。 针对管道运行中悬空段可能增加的现象， 并寻求 跨越长度对管道受力的影响特点， 对 L=1 0 m 、 1 5 m、 2 0 m、 2 5 m、 3 0 m、 3 5 m、 4 0 m的情况进行计算，

17、 结果如 一固 第 6期 高建等 ： 基于应变的悬空管道性能分析 1 5 图3所示。拉应变在跨越长度较小时增加较慢， 但当 跨越长度达到一定值后迅速增加， 且增加数倍以上， 这主要是由于自重与跨越长度较大时刚性不够， 轴向 拉力成为结构主要受力形式， 造成了拉应变的大幅增 加； 随着跨越长度的增加， 跨中管道曲率变化不大， 压 应变增速放缓。 图 3 管道应变值随跨距的变化 安全分析以屈曲临界应变和拉压屈服应变的下 限值作为评估管线是否失效的依据， 只要保证管线有 足够的延性， 满足变形要求， 就可以保证管线的安全 运行。这就是延性验算准则， 应变不大于容许应变。 不同跨越长度下管道的出土端最

18、大拉应变值和跨中 最大压应变值及允许应变值如表 1 所示。当跨距达到 5 0 m时， 最大拉应变值达到0 0 0 6 1 5 ， 超过允许值， 管 道易发生破坏 ， 应及时预防此种情况 。 表 1 不同跨距管道受力安全性分析 4 结束语 基于应变的管道设计准则从提出以来就一直备 受关注， 借鉴国外相关领域的建设经验， 结合国内的 实际情况， 深入研究基于应变的管道受力及安全分析 具有重要意义。悬空长度是影响管道受力及应变大 小的最敏感因素； 随着悬跨长度的增加， 管道的应变 值显著增大； 当跨距达到一定值时， 应变达到许用临 界值， 管道容易失效。埋地管道悬空段所受应力情况 复杂， 要真实描述

19、管道应力 一应变情况， 必须考虑管 道所受约束之间的相互关系。从应变分析角度得出 的结论对管道悬空下沉过程中的力学行为、 管道的安 全状态分析具有切实的帮助。 参考文献： 1 李鹤林， 李霄， 吉玲康 ， 等 油气管道基于应变的设计及抗 大变形管线钢的开发与应用 焊管， 2 0 0 7 ， 3 0 ( 5 ) ： 51 0 2 A A R O N S D， R A Y MO N D J S S t r a i n - b a s e d P i p e l i n e D e s i g n C ri t e ria Re v i e w P r o c e e d i n g s o f t

20、 h e 2 n d I P C Al b e a ： AS ME， 1 9 9 8 ： 7 6 37 7 0 3 刘冰， 刘学杰， 张宏 基于应变的管道设计准则 天然气工 业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 2 91 3 1 4 D N V O ff s h o r e S t a n d a r d O SF 1 0 1 S u b m a r i n e p i p e l i n e s y s t e ms ， 2 0 0 0 5 R A MB E R G W， O S G O O D W D e s c ri p t i o n o f S t r e s s

21、S t r a i n C u r v e s b y T h r e e P a r a me t e r s Na t i o n a l Ad v i s o r y C o mmi t t e e f o r Ae ron a u t i c s ， 1 9 4 3： 2 8 6 N E WMA R K N M， H A L L W J P i p e l i n e d e s i gn t o r e s i s t l a r g e f a u l t d i s p l a c e me n t P r o c e e d i n g s of U S Na t i o n

22、al C o n f e r e n c e o n E a r t h q u a k e E n g i n e e ri n g， An n Ar b o r ， 1 9 7 5： 4 1 64 2 5 7 张秀华 ， 黄乃宁， 宋林红， 等 金属波纹管试验研究 管道 技术与设备 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 3 23 3 8 刘慧 滑坡作用下埋地管线反应分析 大连 ： 大连理工大 学， 2 0 0 8 ： 2 7 3 2 作者简介： 高建( 1 9 8 2 一) ， 博士， 主要研究方向为油气田地面工 程。 ( 上接第 l 2页) 4 结束语 储气罐的储气容量不大， 主要用于解决

23、短期用气不 均衡问题。长输末端管道的储气量如果无法满足用户 的用气要求， 可采用储气罐。城市天然气调峰可以采用 多种联合调峰方式相结合的方法， 尤其是天然气消费量 高的大、 中城市， 采用多种联合调峰方式， 将进一步增大 储气量， 有效缓解城市燃气用气不均衡性问题。 参考文献 ： 1 江泽茂 ， 徐羽堂， 王寿喜， 等 输配气管网的模拟与分析 北京 ： 石油工业出版社， 1 9 9 5 2 段常贵， 杨立民， 严铭卿， 等 燃气长输管线分析与末端储 气计算 煤气与热力， 1 9 9 7 ( 3 ) ： 1 6 2 0 3 马良涛 ， 杨海林 长输管线末端储气系统的研究 管道技 术与设备 ， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 1 2 ； 1 6 4 冷绪林 ， 肖尉， 孙立刚， 等 动态模拟在燃气环网储气调峰 设计中的应用 油气储运 ， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 6 ) ： 1 6 1 9 5 黄葵， 李丽 瞬态模拟计算在城市燃气高压管道设计的应 用 煤气与热力 2 0 0 4 ， 2 4 ( 2 ) ： 8 8 9 0 作者简介： 蒋洪( 1 9 6 5 一) ， 副教授， 硕士， 主要从事油气储运工 程专业教学和科研工作。