李雷雷 姜文全 劉洋 任建民 李依

摘 要：近年來(lái)，埋地?zé)嵊凸艿缽澒苈┯褪录r(shí)有發(fā)生，反映出管道的原始設(shè)計(jì)、施工等方面存在不足。為使埋地?zé)嵊凸艿腊踩€(wěn)定運(yùn)行，在給定位移載荷的作用下，對(duì)彎管各部位的應(yīng)力的變化情況進(jìn)行模擬分析，得出了導(dǎo)致彎管失效漏油的過(guò)大應(yīng)力位置和彎管角度對(duì)應(yīng)力的影響，并提出了改進(jìn)措施，從而為防止發(fā)生埋地管道泄漏事故的研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān) 鍵 詞：埋地管線；彎頭；應(yīng)力；有限元方法；失效

中圖分類號(hào)：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）07-1519-03

Study on Stress Failure of Elbow of Buried Heated Oil Pipeline

LI Lei-lei，JIANG Wen-quan，LIU Yang，REN Jian-min，LI Yi

（Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001， China）

Abstract： In recent years， the leakage accident of elbow of buried oil pipeline oil occurs frequently， which reflects that the original design， construction and other aspects of pipeline are defective. In this paper， in order to ensure safe and stable operation of buried oil pipeline， under the action of a given displacement load， the change of the stress of each part on the elbow was simulated， the excessive stress position to cause failure of oil pipe was determined as well as effect of bend angle on the stress， and improvement measures were put forward so as to prevent the buried pipeline leakage accidents.

Key words： Buried pipe； Elbow； Stress； Finite element method； Failure

近幾年，埋地輸油管線泄漏事故時(shí)有發(fā)生，反映出該管道的原始設(shè)計(jì)、施工等方面存在某些薄弱環(huán)節(jié)[1]。為使埋地?zé)嵊凸艿腊踩€(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)該管道的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[2-4]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)彎頭在給定位移載荷（應(yīng)變載荷）的作用下，對(duì)不同截面位置處的應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)采用ANSYS模擬手段對(duì)彎管各部位的應(yīng)力的變化情況進(jìn)行了分析，得出了導(dǎo)致彎管失效漏油的可能原因，從而達(dá)到防止類似事故的再次發(fā)生。

1 熱應(yīng)力理論基礎(chǔ)

1.1 傳熱理論

由熱力學(xué)第一定律得：

式中：Q—熱量；

W—作功；

—系統(tǒng)內(nèi)能；

—系統(tǒng)動(dòng)能；

ΔPE—系統(tǒng)勢(shì)能。

熱油管道系統(tǒng)中：ΔKE=ΔPE=0； ， 則： ；對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析： ，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量。

熱傳導(dǎo)遵循付里葉定律： ，式中 為熱流密度（W/m2）， 為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m-℃），“-”表示熱量流向溫度降低的方向。

1.2 管道應(yīng)力理論Δ

在極坐標(biāo)系中，應(yīng)力平衡方程為：

對(duì)于各向同性的管道材料， 平面應(yīng)力條件下的物理方程為：

幾何方程為：

相容方程：

熱油管道及保溫層的應(yīng)力狀態(tài)滿足以上四個(gè)平面彈性問(wèn)題基本方程[7]。

2 整段管道熱應(yīng)力分析

應(yīng)用ANSYS軟件，對(duì)圖1（a）中埋地管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力耦合分析。其中錨固墩簡(jiǎn)化成固定約束，管線內(nèi)表面溫度為80 ℃，其熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃；保溫層外表面溫度為10 ℃，其熱膨脹系數(shù)為18×10-5 ℃；管道與保溫層之間主要以熱傳導(dǎo)傳熱，土壤影響簡(jiǎn)化為保溫層外表面約束。施加以上邊界條件對(duì)該段管道模擬得到應(yīng)力分布云圖（見(jiàn)圖1（b）），結(jié)果表明：在熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下，埋地?zé)嵊凸艿缽澒艹鰬?yīng)力值偏高，最高應(yīng)力值達(dá)到262 MPa，小于管材的屈服極限320 MPa，理論上彎管不會(huì)泄漏。

（a）埋地?zé)嵊凸艿朗┕D

（b）熱油管道模擬圖

圖1 埋地?zé)嵊凸艿缊D

Fig.1 Graph of buried hot oil pipeline

3 熱膨脹推力對(duì)不同角度彎管的應(yīng)力影響

通過(guò)以上對(duì)整段管道進(jìn)行應(yīng)力分析及結(jié)合管道破壞現(xiàn)場(chǎng)資料可知，在彎管上的應(yīng)力大于管道其他位置的應(yīng)力，并且管道現(xiàn)場(chǎng)小角度彎管偶有漏油現(xiàn)象發(fā)生。為找到彎管泄漏真實(shí)應(yīng)力，在熱膨脹推力作用下對(duì)不同角度彎管模擬分析。

3.1 彎管應(yīng)力分析模型

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)彎管的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行建模，采用solid45號(hào)單元，沿壁厚方向分成3個(gè)單元，長(zhǎng)度方向單元長(zhǎng)度為10 mm，環(huán)向方向單元長(zhǎng)度為5 mm，單個(gè)管線大約劃分了35 000個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)大約50000個(gè)。其邊界條件為下端面固定，在上端面施加位移載荷。在劃分網(wǎng)格之前在前述測(cè)應(yīng)變的彎管位置預(yù)先設(shè)置截面，方便后續(xù)提取數(shù)據(jù)。為進(jìn)行模擬管道熱膨脹所產(chǎn)生的推力對(duì)彎管應(yīng)力的影響，分別模擬90°、120°、150°彎管鉛直壓縮過(guò)程，總壓縮量為100 mm，將總載荷分成6步進(jìn)行計(jì)算；求得1#、2#、3#位置的軸向和周向應(yīng)力分布狀態(tài)及最大應(yīng)力值。（見(jiàn)圖2）。

（a）90°彎管 （b）120°彎管 （c）150°彎管

圖2 模型網(wǎng)格劃分

Fig.2 Grid model division

3.2 彎管應(yīng)力分析結(jié)果及討論

對(duì)90°、120°、150°彎管施加載荷及邊界條件，模擬加載到1、3、6步時(shí)，分別提取不同角度彎管上個(gè)截面的軸向和軸向應(yīng)力（見(jiàn)表1）。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可知，彎管上的軸向應(yīng)力總大于周向應(yīng)力，最大應(yīng)力出現(xiàn)在彎管的肘部（即2#截面處），其外表面為最大拉應(yīng)力，內(nèi)表面為最大壓應(yīng)力；在彈性范圍內(nèi)對(duì)不同角度彎管間每一步的應(yīng)力比較得出，90°彎管上的肘部應(yīng)力值最大，其次120°彎管，150°彎管最小?？梢?jiàn)，在熱膨脹所產(chǎn)生的推力作用下，彎管肘部出現(xiàn)最大彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力隨彎管角度的增加而減小。

4 改進(jìn)措施

4.1 小急彎改大慢彎

當(dāng)管道走向發(fā)生改變時(shí)，在場(chǎng)地允許的情況下，采用大曲率半徑彎管（相當(dāng)于同一曲率下的多個(gè)大角度彎管構(gòu)成的小角度彎管）來(lái)改變管道走向，從而降低彎管肘部最大應(yīng)力值，即改小急彎為大慢彎。

表1 不同角度彎管各截面最大應(yīng)力值

Table 1 The maximum stress value of each cross-section of elbow with different angle

彎管角度 位置 加載步 軸向最大應(yīng)力/MPa 周向最大應(yīng)力/MPa

90° 1# 1 33.2 7.22

3 114 26.1

6 284 84.2

2# 1 39.2 5.62

3 137 20.3

6 378 60.3

3# 1 1.08 11.8

3 2.24 38.8

6 33.2 7.22

120° 1# 1 44.6 12.7

3 154 45.4

6 401 126

2# 1 48.8 7.26

3 170 26.4

6 458 79

3# 1 3.04 11.3

3 11.4 39.6

6 31.6 111

150° 1# 1 45.5 9.65

3 159 35.2

6 275 115

2# 1 44.5 12.1

3 197 55.4

6 458 115

3# 1 7.57 11.5

3 42.0 43.1

6 75.7 112

4.2 彎管肘部局部加強(qiáng)

為減小彎管上的應(yīng)力，將圖1中的彎管外用等壁厚彎管加強(qiáng)，模擬得到圖3 埋地管道彎管處加強(qiáng)后的應(yīng)力分布云。比較圖1和圖3的彎管被加強(qiáng)前后應(yīng)力分布，彎管上的應(yīng)力有明顯的減小，120°彎管上的最大應(yīng)力由原來(lái)的203 MPa減小為116 MPa，150°彎管上的最大應(yīng)力由原來(lái)的262 MPa減小為145 MPa。由此可見(jiàn)通過(guò)對(duì)彎管肘部厚度的增加，可以提高該位置的強(qiáng)度，從而降低彎管肘部的應(yīng)力值。

4.3 合理改變錨固墩位置

通過(guò)合理地改變錨固墩的位置可改變錨固墩對(duì)管道及彎管所產(chǎn)生的推力，從而降低彎管處的彎曲應(yīng)力。

圖3 埋地管道彎管處加強(qiáng)后的應(yīng)力分布云圖

Fig.3 Strengthened stress cloud picture of buried pipeline elbow

5 結(jié) 論

通過(guò)埋地?zé)嵊凸艿勒w及彎管部位應(yīng)力分析，得出如下結(jié)論：

（1）管道在設(shè)計(jì)之初總體應(yīng)力水平并不超標(biāo)，到在彎管部位應(yīng)力值偏高。

（2）在熱膨脹所產(chǎn)生的管道推力作用下，同一曲率半徑下的不同角度彎管肘部的大應(yīng)力值明顯不同，小角度的彎管肘部的應(yīng)力值大。

（3）通過(guò)改變彎管角度，使“小急彎”改成“大慢彎”，增加彎管厚度及合理布置錨固墩等措施，可降低彎管處的應(yīng)力極值，從而減少或避免管道中彎管處泄漏的可能。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉曉晴，胡瑋.用安全系統(tǒng)工程法解決儲(chǔ)罐出入口管線應(yīng)力問(wèn)題[J].當(dāng)代化工，2014，33（1） ： 40-42.

[2]楊武.埋地油氣管線應(yīng)力腐蝕破裂研究的一些新進(jìn)展[J].腐蝕與防護(hù)，2003，24 （11）：461-457.

[3]柳春光，馮曉波.連續(xù)埋地管線沉陷情況下可靠度分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011 ， 51 （4）：581-586.

[4]劉鵬飛，鄭津洋，孫國(guó)有.內(nèi)壓和振動(dòng)載荷聯(lián)合作用下埋地管線疲勞壽命評(píng)估[J].機(jī)械強(qiáng)度，2010，32（1）：125-129.

[5]余偉煒，高炳軍等.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京，中國(guó)水利水電出版社，2006：277-305.

[6]劉國(guó)慶，楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程[M].北京：中國(guó)鐵道出版 ， 2003：213-233.

[7]劉玉嵐，王彪，王殿富.塑料封裝集成電路結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分布的解析解[ J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2003，24 （2）：138- 145.