陳俊文 劉力升 余 洋 呂 娜 湯曉勇

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司；2. 中國(guó)石油天然氣股份公司西南油氣田分公司輸氣管理處 3. 中國(guó)石化銷售有限公司四川石油分公司)

集輸管道錨固墩推力計(jì)算方法探討與優(yōu)化

陳俊文1劉力升2余 洋1呂 娜3湯曉勇1

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司；2. 中國(guó)石油天然氣股份公司西南油氣田分公司輸氣管理處 3. 中國(guó)石化銷售有限公司四川石油分公司)

結(jié)合埋地管道軸向受力規(guī)律，分析并優(yōu)化了錨固墩推力計(jì)算方法。結(jié)果表明：錨固墩推力計(jì)算應(yīng)充分考慮全線錨固墩的設(shè)置情況；優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果大幅降低了錨固墩推力值；軟件建模結(jié)果證實(shí)了優(yōu)化后的公式計(jì)算結(jié)果的可靠性。

集輸管道 熱應(yīng)力 熱位移 錨固墩 探討與優(yōu)化

隨著油氣開發(fā)的不斷發(fā)展，井口的高溫、高壓工況將成為油氣田地面工程的常態(tài)[1]。雖然井口節(jié)流設(shè)備可在一定程度上降低介質(zhì)的溫度和壓力，但受開發(fā)方案經(jīng)濟(jì)性的制約，節(jié)流后的介質(zhì)溫度和壓力仍處于較高水平[2]。因此，油氣集輸系統(tǒng)不可避免地面臨高溫、高壓工況帶來的諸多難題與挑戰(zhàn)，例如站內(nèi)配管應(yīng)力超標(biāo)、埋地管道彎頭應(yīng)力過大及絕緣接頭失效等問題[3～5]。目前，諸多學(xué)者針對(duì)在溫度和壓力影響下的鋼制管道應(yīng)力和應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行了深入的研究[6～10]，也提出了較為可行的管道位移和應(yīng)力控制措施，保障了管道上下游設(shè)備、管道及其附件的安全。其中，在埋地管道上設(shè)置錨固墩是解決上述問題的有效手段。錨固墩依靠體積龐大的混凝土塊與土壤間的相互作用力對(duì)管道推力進(jìn)行平衡，以約束管道位移，防止熱膨脹位移傳遞給其他設(shè)備、管件后誘發(fā)這類物件強(qiáng)度失效。目前，錨固墩推力計(jì)算研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[11～14]，且大量應(yīng)用于實(shí)際工程，但較大的尺寸造成了較高昂的投資，有必要進(jìn)一步討論通過優(yōu)化錨固墩推力計(jì)算方法以減小尺寸。同時(shí)，鮮有研究報(bào)道關(guān)注錨固墩的推力分析與整個(gè)管道系統(tǒng)走向和錨固點(diǎn)分布的關(guān)系。雖然相關(guān)商業(yè)軟件簡(jiǎn)化了分析過程，但計(jì)算結(jié)果也需用理論推導(dǎo)的公式進(jìn)行復(fù)核。因此，有必要基于前人研究成果，結(jié)合管道強(qiáng)度和位移本質(zhì)規(guī)律，進(jìn)一步探討和優(yōu)化錨固墩推力的計(jì)算方法，以達(dá)到設(shè)計(jì)合理、節(jié)省投資的目的。

筆者將基于管道系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力基本規(guī)律，結(jié)合錨固墩的實(shí)質(zhì)作用，探討全管道系統(tǒng)下錨固墩推力的計(jì)算方法，并進(jìn)一步提出優(yōu)化錨固墩推力的手段與措施。

1 埋地管道系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

埋地鋼制管道軸向應(yīng)力主要包括內(nèi)壓應(yīng)力(由內(nèi)壓引起)、溫差應(yīng)力(由操作溫度與安裝溫度差引起)、彎曲應(yīng)力(由管道彎曲應(yīng)力引起)和其他應(yīng)力(由外力引起)。根據(jù)目前常用的埋地管道應(yīng)力校核規(guī)范ASME B31.8-2014[15]和ASME B31.4-2016[16]，埋地管道的基本狀態(tài)可以分為錨固態(tài)和非錨固態(tài)，其實(shí)質(zhì)在于管道是否存在由前述各種外因(如內(nèi)壓、溫差、彎曲或外力)引起的位移或形變，可將在外因作用下依然保持原始位置或形態(tài)的管道定義為錨固態(tài)管道；將在外因作用下發(fā)生位移或形變的管道定義為非錨固態(tài)管道。其中，錨固態(tài)管道被外力嵌固，管道軸向應(yīng)力(絕對(duì)值)最大，但對(duì)連接直管段的彎頭或設(shè)備幾乎無附加位移；非錨固態(tài)下，部分管道軸向應(yīng)力(尤其是溫差應(yīng)力)被管道以位移的形式釋放，但會(huì)對(duì)連接直管段的彎頭或設(shè)備產(chǎn)生附加位移，造成應(yīng)力集中[17]。

運(yùn)行過程中(溫差和內(nèi)壓作用下)的埋地管道系統(tǒng)，往往同時(shí)存在錨固狀態(tài)和非錨固狀態(tài)。如圖1所示，由于管道存在出入土敷設(shè)、路由彎曲等情況，因此長(zhǎng)直管道(含大曲率半徑的彈性敷設(shè)段)需要縱向彎頭、水平轉(zhuǎn)角彎頭等管道附件進(jìn)行連接。由于彎頭存在角度變化，因此彎頭必然在兩端受管道推力作用而發(fā)生形變，故屬于非錨固部件。長(zhǎng)直管道的兩端在管道軸向推力和土壤摩擦阻力的聯(lián)合作用下能夠軸向伸縮(軸向推力大于土壤摩擦阻力)，處于半活動(dòng)狀態(tài)，屬于非錨固狀態(tài)，稱為活動(dòng)端；但當(dāng)活動(dòng)端長(zhǎng)度足夠時(shí)，土壤摩擦阻力足夠克服管道軸向推力，兩活動(dòng)端之間的管道被虛擬錨固，無軸向位移。因此，無論管道走向如何布置，只要帶壓運(yùn)行，或運(yùn)行溫度與安裝溫度不同，管道均會(huì)產(chǎn)生軸向應(yīng)力；管道轉(zhuǎn)角與出入土處的彎頭將破壞虛擬錨固狀態(tài)的延續(xù)性，這些管件必然承受管道收縮產(chǎn)生的附加位移。在運(yùn)行過程中，埋地管道系統(tǒng)中的埋地彎頭和出入土端所連接的露空管件由于自身的形變和長(zhǎng)直管道活動(dòng)端的附加位移，會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，造成這些管件應(yīng)力水平偏高。一旦其應(yīng)力水平高于規(guī)范允許最大值，將面臨強(qiáng)度失效的危險(xiǎn)。因此，設(shè)置錨固墩的主要目的就是對(duì)管道活動(dòng)端引起的位移進(jìn)行限制，防止彎頭或其他主管道所連接的管件發(fā)生應(yīng)力超標(biāo)。

圖1 埋地管道系統(tǒng)管道錨固狀態(tài)分布示意圖

2 錨固墩推力計(jì)算

錨固墩一般設(shè)置在靠近過渡變形彎頭的直管段，以盡量增大錨固點(diǎn)兩側(cè)所受作用力的差值，降低彎頭應(yīng)力水平。錨固墩的尺寸與錨固點(diǎn)所受總推力密切相關(guān)，且隨總推力的增大而增大，因此，合理分析并計(jì)算錨固點(diǎn)推力，可優(yōu)化錨固墩尺寸、降低工程投資。

錨固點(diǎn)受力示意圖如圖2所示。

圖2 錨固點(diǎn)受力示意圖

由此可見，確定錨固點(diǎn)受力時(shí)，需綜合考慮管道軸向推力、土壤作用力等作用。由于壓力管道存在內(nèi)壓，因此在設(shè)計(jì)靠近發(fā)球筒的錨固墩時(shí)，還需考慮管端效應(yīng)對(duì)軸向力的貢獻(xiàn)。因此，錨固點(diǎn)的受力包括：土壤提供的作用力、管道提供的軸向推力和管端作用提供的軸向拉力。

2.1 土壤提供的作用力

錨固點(diǎn)活動(dòng)側(cè)若是埋地彎頭，則理論上能夠提供反作用力：

FS=Q+f

(1)

式中FS——土壤對(duì)管段的反作用力，N；

f——土壤對(duì)管道的摩擦力，N；

Q——土壤對(duì)管端的支撐力，N。

一般地，靠彎頭段左側(cè)為彎頭附近的土壤，由于該段管道長(zhǎng)度較短，故根據(jù)虎克定律可知，管道的伸長(zhǎng)量較小，故與活動(dòng)管段長(zhǎng)度線性相關(guān)的土壤摩擦力亦較小；同時(shí)，土壤具有一定的壓縮性，在小形變下，彎頭處土壤反力均較小。因此，對(duì)于靠近彎頭設(shè)置的錨固點(diǎn)，土壤作用力可忽略。

2.2 管道提供的軸向推力

對(duì)于錨固點(diǎn)右側(cè)的長(zhǎng)直管段，其形變被完全約束，故軸向應(yīng)力σL可通過溫差應(yīng)力、泊松效應(yīng)等分項(xiàng)計(jì)算而得，即：

(2)

故錨固點(diǎn)所受推力FL可寫為：

(3)

式中D——管道外徑，mm；

E——管道彈性模量，MPa；

p——操作壓力，MPa；

t——管道壁厚，mm；

Δt——操作溫度與安裝溫度的差值，℃；

α——線膨脹因數(shù)，mm/(mm·℃)；

υ——材料泊松比，υ=0.3。

2.3 管端作用提供的軸向拉力

對(duì)于上游干線存在密封管端的錨固點(diǎn)(例如站內(nèi)發(fā)球筒)來說，由于存在管道系統(tǒng)位移，因此需考慮內(nèi)壓對(duì)管端作用，則管系的拉伸應(yīng)力σp′為：

(4)

其拉力Fp′為：

(5)

因此，結(jié)合式(1)～(3)，可得錨固點(diǎn)所受合力F為：

(6)

式(5)和諸多文獻(xiàn)、專著介紹的錨固墩推力計(jì)算公式一致，說明推導(dǎo)過程合理。

同時(shí)，如前文所述，若埋地管道系統(tǒng)的多處彎頭應(yīng)力水平較高，則需在埋地彎頭附近設(shè)置錨固墩，以保護(hù)彎頭強(qiáng)度，如圖3所示。圖中彎頭1～4均會(huì)由于直管段位移過大而造成應(yīng)力超標(biāo)，因此，除按照常規(guī)設(shè)置1#錨固墩外，還需考慮設(shè)置錨固墩對(duì)管道位移進(jìn)行限制。由式(2)可知，管端拉力對(duì)錨固點(diǎn)的作用力是正貢獻(xiàn)的，且作用在1#錨固墩處。對(duì)于下游增設(shè)的2～4#錨固墩，由于管端效應(yīng)的拉應(yīng)力被1#錨固墩隔離，故不必再次考慮。因此，這種情況下，式(2)需改寫為：

(7)

圖3 埋地管道系統(tǒng)管道錨固點(diǎn)位置

同理，在某些情況下，若上游管道由于介質(zhì)溫度較低而未設(shè)置錨固墩，但沿途接入溫度較高的井口來氣后，下游管道部分管段可能出現(xiàn)彎頭應(yīng)力過高，如圖4所示。

圖4 埋地管道系統(tǒng)管道錨固點(diǎn)位置

圖4中，高溫井接入后，由介質(zhì)溫度較高引起的管道位移導(dǎo)致彎頭5應(yīng)力過高，需設(shè)置1#錨固墩。由于彎頭4、5之間的管道部分為自然錨固，阻斷了發(fā)球筒附近由管端效應(yīng)產(chǎn)生的拉力對(duì)1#錨固墩的作用，因此，錨固墩受力計(jì)算式同式(6)。

由此可見，由于管道中錨固墩的受力影響因素不同，在考慮錨固墩的推力計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)管端效應(yīng)引起拉力的存在性進(jìn)行分析與識(shí)別；在上游已有錨固墩或長(zhǎng)直管道形成的自然錨固段后設(shè)置新的錨固墩時(shí)，不需要考慮管端效應(yīng)對(duì)錨固墩推力的影響，以免造成計(jì)算推力過大，引起工程量和投資的增加。

3 算例分析

為進(jìn)一步證實(shí)前文觀點(diǎn)和所推模型的合理性，在相同管道模型中，采用不同計(jì)算思路對(duì)不同位置的錨固墩進(jìn)行推力計(jì)算和對(duì)比，并借助商用應(yīng)力分析軟件CAESAR II對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。管道模型如圖5所示。

圖5 埋地管道系統(tǒng)管道錨固點(diǎn)位置(算例)

除圖中標(biāo)示的各段管道長(zhǎng)度外，其余參數(shù)如下：

管道壁厚t16mm

管道外徑D406.4mm

最小屈服強(qiáng)度δs360MPa

彎頭1角度 45°

彎頭2角度 45°

彎頭3角度 90°

彎頭4角度 90°

彎頭5角度 60°

彎頭6角度 60°

露空高度 1 200mm

管頂埋深 1 500mm

泊松比υ0.3

彈性模量E210GPa

線膨脹系數(shù)α1.20×10-5mm/(mm·℃)

安裝溫度T120℃

運(yùn)行溫度T260℃

操作壓力p14MPa

校核標(biāo)準(zhǔn) ASME B31.8-2012 RESTRAINT

各錨固點(diǎn)推力計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 錨固墩推力計(jì)算結(jié)果

由此可見，1#錨固墩的公式計(jì)算值(2 676kN)和軟件模擬值(2 513kN)較為接近，且需要考慮管端效應(yīng)對(duì)錨固點(diǎn)的受力貢獻(xiàn)；2～4#錨固墩由于均不考慮管端效應(yīng)，因此計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于考慮管端效應(yīng)的計(jì)算值，軟件的模擬結(jié)果也證實(shí)了這3處錨固墩是不受管端拉力的。同時(shí)，2～4#錨固墩的受力計(jì)算結(jié)果也說明，合理考慮管端效應(yīng)的作用對(duì)錨固墩合力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了較大的優(yōu)化，也將直接減小錨固墩的施工尺寸，節(jié)約投資。

4 錨固墩推力深入優(yōu)化的思路

前文對(duì)兩種錨固墩推力計(jì)算模型進(jìn)行了分析與驗(yàn)證，說明合理考慮管端效應(yīng)對(duì)錨固力計(jì)算結(jié)果具有較大的影響。另外，基于錨固點(diǎn)受力組成，在滿足錨固墩保護(hù)的彎頭或設(shè)備應(yīng)力水平合格的前提下，還可從以下幾方面優(yōu)化并減小錨固墩推力：

a. 降低錨固剛度，允許小位移。根據(jù)式(3)可知，此種方式描述的錨固點(diǎn)所受管道軸向推力是基于完全錨固假設(shè)進(jìn)行考慮的，錨固墩將完全承受限制熱膨脹而產(chǎn)生的軸向推力。若允許錨固墩發(fā)生小位移，則熱膨脹能夠得到一定程度的位移釋放，由此誘發(fā)的熱膨脹推力將有所降低；同時(shí)，錨固墩的軸向位移也將使活動(dòng)側(cè)受到一定擠壓，在土壤剛性較大的情況下，能夠提供約束這部分軸向位移的軸向反力，這將進(jìn)一步降低錨固點(diǎn)的合力。

b. 長(zhǎng)直管道采用彈性敷設(shè)。管道能夠?yàn)殄^固點(diǎn)施加推力的本質(zhì)在于其兩端均被錨固墩固定，或另一端被虛擬錨固端固定。錨固端熱膨脹力與管道的錨固程度成反比，若在錨固點(diǎn)后的直管段中進(jìn)行小角度、大曲率半徑的彈性敷設(shè)，可在一定程度上允許熱膨脹作用下的管道發(fā)生位移，降低熱膨脹應(yīng)力。由于實(shí)際工程中，管道地形會(huì)發(fā)生天然起伏，為通過彈性敷設(shè)釋放熱膨脹力提供了天然條件，故通過這種方式降低錨固墩所受推力的思路值得進(jìn)一步研究。需要指出的是，這種方式應(yīng)特別注意避免管道發(fā)生側(cè)向屈曲和隆起屈曲。

c. 適當(dāng)增大錨固點(diǎn)與彎頭的距離。錨固墩所受活動(dòng)側(cè)提供的反作用力包括土壤對(duì)彎頭的反作用力和土壤對(duì)管道的摩擦力。若錨固點(diǎn)選擇在距離彎頭更遠(yuǎn)的點(diǎn)設(shè)置，則彎頭與錨固點(diǎn)之間的直管道長(zhǎng)度增加。由于此段直管道也具有熱膨脹性，但其一端為具有一定柔性的土壤，因此根據(jù)虎克定律，此段直管道會(huì)發(fā)生一定程度熱位移，并將此位移施加于彎頭，壓縮支撐彎頭的土壤。一方面，被壓縮的土壤會(huì)提供更大的反作用力；另一方面，長(zhǎng)度增加的直管道也將受到圓周表面土壤提供的摩擦力。這兩種反力都將抵消部分錨固點(diǎn)對(duì)側(cè)的軸向推力，降低錨固點(diǎn)的合力。

d. 耦合溫降模型。式(3)中表示的熱膨脹力主要受安裝溫度和運(yùn)行溫度的差值影響。在管道中，介質(zhì)在流動(dòng)過程中會(huì)與土壤環(huán)境進(jìn)行換熱，溫度降低。因此，對(duì)于長(zhǎng)直管道，其兩側(cè)錨固墩實(shí)際所受的軸向推力會(huì)受運(yùn)行溫度的變化而有所不同，因此，錨固墩所受推力必然低于依照等溫度場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果。

5 結(jié)論

5.1 在埋地管道中，若管道活動(dòng)端的位移可能引起與之相連的彎頭、設(shè)備等應(yīng)力超標(biāo)，則可考慮設(shè)置錨固墩對(duì)熱位移進(jìn)行隔離。

5.2 錨固墩推力計(jì)算中，軸向拉伸效應(yīng)的存在性探討非常重要。

5.3 管道系統(tǒng)中需設(shè)置多個(gè)錨固墩時(shí)，可利用本文提出的基于軸向拉伸效應(yīng)辨識(shí)的推力公式分別計(jì)算不同位置錨固墩點(diǎn)受力情況，其計(jì)算結(jié)果與商用軟件模擬結(jié)果誤差較小。

5.4 根據(jù)錨固推力組成，可進(jìn)一步深入研究?jī)?yōu)化錨固點(diǎn)受力的計(jì)算方法。

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DiscussionandOptimizationofAnchorBlockPushingForceCalculationMethodforGatheringPipeline

CHEN Jun-wen1, LIU Li-sheng2, YU Yang1, LV Na3, TANG Xiao-yong1
(1.SouthwestCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.; 2.GasTransmissionDepartmentofCNPCSouthwestOilandGasBranchCompany; 3.SichuanPetroleumCompany,SinopecMarketingCo.,Ltd.)

Basing on the law of buried pipeline’s axial force to analyze and optimize the method of calculating the anchor block force to shows that, the setting of anchor block for the whole pipeline has to be considered when calculating the anchor block pushing force; the calculation results optimized can decrease anchor pushing force greatly and modeling results verified its reliability.

gathering pipeline, thermal stress, thermal displacement, anchor block, discussion and optimization

陳俊文(1987-)，工程師，從事油氣田地面工程設(shè)計(jì)與研究工作，chenjunw_sw@cnpc.com.cn。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)03-0296-06

2016-07-04，

2016-12-13)