蔡從德(中國(guó)石油西南油氣田公司低效油氣開(kāi)發(fā)事業(yè)部 610017)

中緬油氣管道是繼中亞油氣管道、中俄原油管道、海上通道之后的第四大能源進(jìn)口通道。原油管道途徑各種復(fù)雜地形，對(duì)于一些類似于高陡邊坡的穿越困難地區(qū)，通常采用隧道斜井穿越的方式，隧道穿越不占用地面空間，避開(kāi)了施工困難區(qū)域，克服了高程和地形障礙，降低了施工難度，但在隧道穿越設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)對(duì)其應(yīng)力安全進(jìn)行考慮。

國(guó)內(nèi)外對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析通常采用ANSYS和CAESAR II應(yīng)力分析軟件。ANSYS軟件的固體模塊不僅可以對(duì)管道進(jìn)行靜力分析，還可進(jìn)行模態(tài)或振動(dòng)分析。采用ANSYS軟件對(duì)不同斜井長(zhǎng)度（或深度）的管道進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)ASMEB31.4的應(yīng)力校核值得出最大應(yīng)力比率，通過(guò)線性擬合得出公式（井深與應(yīng)力比率的關(guān)系式），設(shè)計(jì)者可通過(guò)公式反算得出極限井深。該方法可為類似的隧道穿越管道設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參考，以保障管道的安全運(yùn)行。

一、輸油管道應(yīng)力分析方法

極限井深的計(jì)算分為三步：管道模型的建立、應(yīng)力校核、公式擬合。

1.管道模型的建立

建立管道模型之前，應(yīng)明確管道穿越隧道的通用模型，隧道穿越通常有：斜井穿越、豎井穿越和盾構(gòu)的方式，斜井穿越采用較多。斜井穿越為一近似對(duì)稱結(jié)構(gòu)，隧道進(jìn)口和隧道出口均需設(shè)置固定墩，管道傾斜段長(zhǎng)度即井長(zhǎng)，井長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的高度即為井深，進(jìn)口和出口水平段覆土，其余地段（傾斜段和隧道內(nèi)水平段）設(shè)置支墩約束，角α即為斜井的傾斜角，如圖1所示。

圖1 通用隧道穿越管道模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of general tunnel crossing pipeline

極限井深的分析需要求解管道的靜力，由于管道長(zhǎng)度較短，使用ANSYS軟件可較為細(xì)致的分析管道的應(yīng)力情況。ANSYS進(jìn)行靜力分析包括兩個(gè)模塊：前處理和后處理。

前處理占據(jù)管道建模的主體，包括實(shí)體模型的建立（分別使用PIPE16單元和PIPE18單元對(duì)直管和彎管進(jìn)行模擬，定義材料的各項(xiàng)參數(shù)）、網(wǎng)格的劃分以及添加載荷和約束。后處理包括通用后處理和時(shí)間歷程處理，由于本文針對(duì)管道的靜力分析，采用通用后處理即可。

2.應(yīng)力校核準(zhǔn)則

原油管道通常遵循美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)：ASMEB31.4《液態(tài)烴和其他液體管線輸送系統(tǒng)》。應(yīng)力計(jì)算一般應(yīng)考慮環(huán)向應(yīng)力、縱向應(yīng)力、剪切應(yīng)力和當(dāng)量應(yīng)力，同時(shí)應(yīng)考慮到所有管段、約束、支撐、導(dǎo)向及摩擦。通常將應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力[1]。

管道一次應(yīng)力指由于外載荷的作用產(chǎn)生的應(yīng)力，滿足與外加載荷的平衡關(guān)系，且隨外加載荷的增加而增加，無(wú)自限性，即應(yīng)力值超過(guò)材料屈服極限時(shí)，管道將產(chǎn)生塑形變形破壞。輸油管道對(duì)一次應(yīng)力的校核，規(guī)定：對(duì)于受約束管道，由于內(nèi)壓和外壓產(chǎn)生的壓力不應(yīng)超過(guò)材料最小屈服強(qiáng)度的0.72倍。

管道的二次應(yīng)力通常是由變形所產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它具有周期性和自限性，當(dāng)局部產(chǎn)生少量塑性變形時(shí)，通過(guò)變形協(xié)調(diào)便可使應(yīng)力降低輸油管道二次應(yīng)力的校核，規(guī)定：最大位移應(yīng)力范圍不應(yīng)超過(guò)最小屈服強(qiáng)度的0.9倍。

管道的峰值應(yīng)力是由于載荷、結(jié)構(gòu)形狀的局部突變而引起的應(yīng)力集中的最高應(yīng)力值，通常產(chǎn)生在轉(zhuǎn)彎半徑、焊縫咬邊處。輸油管道峰值應(yīng)力的校核，規(guī)定：輸油管道穿越管段的當(dāng)量應(yīng)力不得超過(guò)鋼管規(guī)定屈服強(qiáng)度的90%。

3.公式擬合

將不同斜井長(zhǎng)度的輸油管道的最大應(yīng)力比率統(tǒng)計(jì)，并導(dǎo)入Excel軟件，以井長(zhǎng)作為橫坐標(biāo)，以應(yīng)力比率作為縱坐標(biāo)，進(jìn)行線性擬合。將井長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫睿ň?斜井長(zhǎng)度×sinα，其中α為斜井的傾斜角）。

二、應(yīng)力分析實(shí)例

1.工程概況

根據(jù)中緬某段隧道穿越管道的設(shè)計(jì)資料建立管道模型，管道模型的基礎(chǔ)段（隧道進(jìn)口水平段）模型長(zhǎng)約30m（覆土），管道模型起點(diǎn)設(shè)置固定墩1，管道末端設(shè)置固定墩2，在隧道內(nèi)全部采用露空與管架支撐形式，斜井傾斜角為24.5°，支墩間距為20m，原油管道彎管的曲率半徑為R=10D，D為管道外徑，地區(qū)等級(jí)為1級(jí)。管道采用X70鋼管，泊松比為0.3，彈性模量為206GPa，鋼管的密度為7850kg/m3，管道的基礎(chǔ)模型如圖2所示。管道的具體參數(shù)如表1所示[2-3]。

圖2 基礎(chǔ)模型示意圖Fig.2 The base model schematic

表1 管道參數(shù)Table 1 Pipeline parameter

表2 土壤參數(shù)Table 2 Soil parameter

2.結(jié)果分析

對(duì)不同斜井長(zhǎng)度的管道進(jìn)行應(yīng)力分析，應(yīng)力校核的對(duì)象為管道峰值應(yīng)力，最小試驗(yàn)傾斜長(zhǎng)度為20m（一個(gè)支墩間距），每次試驗(yàn)傾斜長(zhǎng)度增加20m，即井深增加8.3m。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示[4-6]。

圖3 極限井長(zhǎng)與應(yīng)力比率的關(guān)系Fig.3 Relationship between limit well length and the stress ratio

由圖3不難看出，最大應(yīng)力比率隨斜井長(zhǎng)度的增加而增加，進(jìn)行線性擬合得出井長(zhǎng)與應(yīng)力比率的函數(shù)關(guān)系式為y=0.0753x+63.842，則令y=100（即令應(yīng)力比率為100%），反算得出極限井長(zhǎng)為480.19m，則可定義：對(duì)于該段穿越隧道的原油管道，其理論極限井長(zhǎng)為480.19m，而理論極限井深為199.13m。

結(jié)論

本文使用ANSYS軟件模擬與數(shù)學(xué)線性擬合相結(jié)合的方式，對(duì)中緬某段穿越隧道的原油管道進(jìn)行極限井深的分析，得出該段穿越隧道原油管道的極限井長(zhǎng)為480m，極限井深為199m。

提出了基于應(yīng)力的極限井深分析方法，可按照此種方法穿越隧道的油氣管道進(jìn)行極限設(shè)計(jì)，根據(jù)得出的公式校核設(shè)計(jì)值是否在應(yīng)力安全范圍內(nèi)以保障管道的安全運(yùn)行，具有一定的工程價(jià)值和實(shí)際意義。

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