白永強 汪彤 呂良海

（北京市勞動保護科學研究所城市易燃易爆有毒有害危險源控制技術北京市重點實驗室 100054）

引言

凍脹是影響天然氣輸送管道安全的重大危險因素。天然氣管道在輸氣過程中，氣體經過調壓裝置后，就會在節(jié)流處快速膨脹，產生壓力驟降，而氣體在極短時間內來不及與外界發(fā)生熱交換，因此氣體溫度急劇降低。該現(xiàn)象也被稱為焦耳—湯姆遜效應［1］，亦稱“節(jié)流效應”，是天然氣管道調壓運行中常見現(xiàn)象。有研究表明，輸氣管道壓力每降低1MPa，溫度大約降低4℃～5℃，因此對于高高壓調壓、高中壓調壓分輸站內，可能會造成調壓站分輸管線長期在0℃以下低溫運行［2］，導致埋地管道周邊形成凍土層，凍土層內地下水結冰，發(fā)生膨脹，巨大的膨脹力將埋地匯管頂起，致使安裝好的設備和管道被整體抬升，產生垂直方向的位移，相當于對調壓器前后架空管道施加了附加荷載。在嚴重的情況下，管線附近地面隆起，調壓撬（閥）后側的出站管線處閥體與基礎分離，部分管段在應力作用下發(fā)生變形，甚至導致焊口、法蘭等連接處泄漏，給安全運行帶來很大隱患。

長期以來，由于北方寒冷氣候影響，學界對于土壤凍脹對埋地管線影響一直十分重視，提出了一系列監(jiān)測與分析方法［3－6］。近年來，隨著城市天然氣普及，輸氣管線的輸送量大大增加，導致天然氣調壓站內管道系統(tǒng)受凍脹影響越來越嚴重，部分學者開始就分輸場站內土壤凍脹對管道的影響進行分析［7－9］，并提出相應的對策措施［10，11］。然而，目前多數(shù)學者關注的是土壤凍脹對埋地管道的影響［12－14］，而對于調壓站內分輸架空管段的影響尚未進行分析。本文就北京某高高壓調壓站內凍脹土壤將調壓站內輸氣匯管頂起，從而影響的架空管段部分進行數(shù)值模擬與監(jiān)測分析，針對該管段給出位移荷載的安全預警閾值。

1 土壤凍脹影響下調壓站管道模擬分析

北京某天然氣高高壓調壓站，其設計進口壓力4.0MPa、設計流量40萬Nm3／h。其中系統(tǒng)一高壓B出口設計壓力2.5MPa、設計流量2萬Nm3／h；系統(tǒng)二次高壓A出口設計壓力1.6MPa、設計流量10萬Nm3／h；系統(tǒng)三中壓出口設計壓力0.4MPa、設計流量5萬Nm3／h。站內管網埋地部分發(fā)生明顯的垂直方向位移，實地檢查發(fā)現(xiàn)管道整體上行，設備和管道在外力作用下被抬升后與支架分離（位移量最大時可達50mm～70mm），呈懸空狀態(tài)，導致其始終處于非常規(guī)外力的作用下運行，產生巨大安全隱患，部分管線及設備連接部位的薄弱處已經發(fā)生漏氣情況。

針對該調壓站內 DN400架空管段（跨度8m），采用ANSYS建模，在架空管段一端施加變化的位移荷載，管道內壓P＝4MPa，將位移荷載從0.01m逐漸加到0.14m，在0.01m～0.14m范圍內，觀察管線模型的最大應力值的變化，將得出結果與材料的屈服強度和極限強度對比，分析管線在達到屈服應力和抗拉強度時對應的位移，作為管線應變監(jiān)測預警閾值。

材料特性：彈性模量為E＝210GPa，剪切模量為τ＝110GPa，泊松比為ν＝0.3，密度為ρ＝7850kg／m3，屈服強度為 σs＝253MPa，極限強度為 σb＝422MPa。

根據(jù)設計要求，該管段的設計許用應力［14］：

式中：FD為設計系數(shù)，一般取0.72。

圖1給出了位移荷載為0.03m和0.11m時管段上的等效應力云圖。從圖1中可以看出，在土壤凍脹位移荷載作用下，該管段最大應力出現(xiàn)在了管段中彎頭的內側。

圖1 凍脹土壤影響下的管段等效應力云圖Fig.1 The equivalent stress distribution on the pipeline under frost heaving deformation

圖2給出了在各位移荷載作用下該架空管段的最大應力。從圖2中可以看出，在位移荷載0.01m到0.11m之間，該管段最大應力基本為線性變化，說明該階段管道處于彈性變形階段。位移荷載加到0.12m、0.13m、0.14m后，最大應力表現(xiàn)出非線性變化，說明該管段出現(xiàn)了塑性變形，最大應力超過了材料屈服強度，有一定的可能發(fā)生失效。在實際設計中，為了保障管道運行安全，一般采用許用應力［σ］作為管道允許承受的應力閾值，由式（1）得到該管段材料的許用應力為182.16MPa，對應的位移荷載為0.075m，因此實際監(jiān)測中應將位移荷載0.075m作為該管段的安全預警閾值。

圖2 調壓站管道在各位移荷載下的最大應力Fig.2 Themaximum stress of the pipeline under every displacement load

2 基于應變監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析

為進一步對該管段在土壤凍脹下應力變化情況進行分析，提出安全對策建議，采用應變片對該管段彎頭部分進行了應變監(jiān)測。通常情況下，輸氣管道被視為薄壁管道，沿管道壁厚方向上的應力在計算中通常被視為零，因此被測管道表面可視為二向應力狀態(tài)。在監(jiān)測中，一般采用由3個應變片組成的應變花貼在管道外壁上（圖3），測得沿管道軸向、環(huán)向和斜45°的3個方向應變后，根據(jù)廣義胡克定律計算管道上被測點的主應力［14，15］：

圖3 三向應變花Fig.3 Three dimensional strain rosette

式中：ε0°為 0°方向（管道軸向）應變；ε45°為 45°方向（與管道軸向夾角為45°方向）應變；ε90°為90°方向（管道環(huán)向）應變；σ1、σ2、σ3分別為第一、二、三主應力。

Von Mises等效應力為：

采用第四強度理論進行強度校核：

根據(jù)模擬計算結果，監(jiān)測該管段的最大等效應力時在彎頭中間位置布置了3個傳感器應變花，具體布置如圖4所示。

圖4 傳感器布置Fig.4 Sensor layout

2014年10月至2015年7月，對該管段進行了連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測到的等效應力變化如圖5所示。

圖5 監(jiān)測等效應力變化曲線Fig.5 The equivalent stress variation curve

監(jiān)測到的最大等效應力為164.18MPa，出現(xiàn)在2015年2月份，當時管道受土壤凍脹影響產生的位移為0.065m，與模擬計算數(shù)據(jù)曲線（圖2）上位移荷載為0.062m時計算得到的最大應力基本一致。此時管段仍處于彈性形變階段，未發(fā)生屈服變形。

3 結論

天然氣調壓站內調壓節(jié)流效應引起溫度驟降，從而影響管道周圍土壤產生凍脹現(xiàn)象，在冬季該現(xiàn)象明顯，嚴重影響調壓站管道運行安全。利用數(shù)值模擬分析了北京某天然氣調壓站匯管以上架空燃氣管段在受土壤凍脹位移影響下的應力變化情況，通過對該管段的分析給出該管段安全運行的最大位移荷載（0.075m），并判斷匯管抬起時該管段最大應力出現(xiàn)位置。根據(jù)模擬分析情況，在該管段上布置傳感器，對受土壤凍脹影響匯管抬起時最大應力位置附近的應力應變情況進行了監(jiān)測分析，通過模擬分析與監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)：受土壤凍脹影響匯管抬起，對架空管段施加一定的位移荷載，在一定范圍內該管段仍處于彈性階段，能夠安全運行。當然，受低溫影響，管道材料性質可能會發(fā)生一定的變化，因此要保證安全運行，仍需對低溫下材料性能進行分析，根據(jù)分析情況綜合判斷運行安全。

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