石 悅， 趙 媛， 張 俊

(1.山西能源學(xué)院，山西 太原 030600；2.山西天然氣有限公司，山西 太原 030032)

引 言

敷設(shè)于山區(qū)、丘陵、河溝地段的天然氣管道，在雨季水流的作用下，周邊土壤或河床會(huì)被沖刷而造成管道裸露。如遇暴雨或連續(xù)雨水天氣出現(xiàn)較多水流匯集，極易在裸露管道處發(fā)生漂管甚至斷管事故，給企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和一定的負(fù)面影響[1]。

輸氣管道發(fā)生漂管后，導(dǎo)致破壞的方式主要有管線共振和疲勞破壞兩種[2]。近些年，許多專家學(xué)者通過模糊綜合評(píng)判法、解析法、仿真模擬等方法分析穿越河流段管道應(yīng)力情況，研究水體作用下的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并探討了相應(yīng)防治措施[3-6]。漂管后，管道位置發(fā)生變化，使管道處于較不利的應(yīng)力狀態(tài)，需對(duì)漂管后的管道應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行核算，確保輸氣管道安全、平穩(wěn)運(yùn)行。本文以國(guó)內(nèi)發(fā)生的一次典型漂管事件為例，對(duì)漂管應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究和分析。

1 漂管事件概況

1.1 漂管事件

我國(guó)丘陵地段的某條天然氣管道，在一次大暴雨之后，約150 m管道被暴雨沖出，出現(xiàn)漂管情況，如圖1所示。

漂管后，管道運(yùn)營(yíng)方及時(shí)關(guān)閉閥門并降低了管道運(yùn)行壓力，現(xiàn)場(chǎng)搶修人員采取排水以降低水位的緊急處理方案。抽水后，管道發(fā)生部分回落，但因淤泥堆積，管道未能回落至原始位置，在水平和垂直方向仍有一定的位移量，使管道產(chǎn)生了一定附加應(yīng)力。為防止降雨時(shí)再次發(fā)生漂管，在管道上方布置了壓重塊。

圖1 管道漂管現(xiàn)場(chǎng)照片

1.2 管道基本參數(shù)

漂管段管道基本參數(shù)見表1所示。

表1 管道基本參數(shù)

2 漂管原因及預(yù)防措施

單位長(zhǎng)度配重的Waw計(jì)算如公式(1)所示。

Waw=F-Wp

(1)

式中，Waw為單位長(zhǎng)度管道配重，N；F為單位長(zhǎng)度管道所受浮力，N；Wp為單位長(zhǎng)度管道重力，N。

管道外徑711 mm，壁厚10.3 mm，計(jì)算得單位長(zhǎng)度管道重力Wp=1 744.3 N，單位長(zhǎng)度管道浮力F=3 890.9 N。單位長(zhǎng)度管道浮力大于重力，管道在浮力作用下將發(fā)生漂管，需在管道上增設(shè)配重(如配重塊或平衡壓袋)，以抵消管道的浮力。

為防止管道發(fā)生漂管，還可對(duì)埋地管道設(shè)置螺旋地錨，將管道通過束帶錨固定于管溝底部進(jìn)行保護(hù)。國(guó)內(nèi)常用的防漂管措施還有箱涵、U型槽、硬覆蓋和石籠等[7]，國(guó)外還有采用固定墩、土工織物等新型穩(wěn)管技術(shù)[8]。

3 漂管后管道應(yīng)力分析

3.1 管道位移數(shù)據(jù)

水位回落后的管道在水平方向和豎直方向均發(fā)生了位移，對(duì)管道產(chǎn)生了附加應(yīng)力。通過選取漂管后管道5個(gè)點(diǎn)(位置點(diǎn)選取見圖2)的精確位置坐標(biāo)，與管道竣工時(shí)的坐標(biāo)對(duì)比后，確定管道漂管的位移量。其中，ΔX為沿管道軸線方向的水平位移分量(測(cè)點(diǎn)5指向測(cè)點(diǎn)1為正)，ΔY為垂直于管道軸線方向的水平位移分量(指向內(nèi)弧側(cè)為正)，ΔH為管道豎直方向的位移分量(向上為正)，管道具體位移量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 管道位置測(cè)量點(diǎn)示意圖

坐標(biāo)點(diǎn)序號(hào)位置說明位移分量ΔXΔYΔH水平位移量總位移量1出土點(diǎn)0.072-0.3640.5240.3710.6422-0.165-0.0910.5890.1880.6193冷彎管-0.553-0.1050.5320.5630.7754-0.071-0.0970.5120.1200.5265-0.269-0.1510.4610.3090.5556出土點(diǎn)00000

3.2 有限元計(jì)算模型

采用ANSYS有限元軟件對(duì)4 MPa設(shè)計(jì)壓力和漂管后0.3 MPa運(yùn)行壓力兩種工況的管道應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算中采用以下力學(xué)模型：管道采用彈塑性非線性材料模擬，土體采用非線性土彈簧模擬，管道和土體之間的相互作用采用土彈簧模擬，土彈簧參數(shù)參考ASCE(Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe、Guideline for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline System)和GB50470-2008[9]選取。漂管暴露段管道外側(cè)再建立200 m長(zhǎng)的管道模型，以模擬埋地管道對(duì)漂管段管道的約束作用，模型兩端施加剛性約束，采用施加位移的方式模擬管道變形后的位移量。

3.3 管道應(yīng)力校核

管道漂管裸露后為非約束管道，根據(jù)《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》(ASME B31.8-2010)[10](簡(jiǎn)稱ASME B31.8)中非約束管道的定義及方法，對(duì)4 MPa設(shè)計(jì)壓力和漂管后0.3 MPa運(yùn)行壓力兩種工況下管道應(yīng)力進(jìn)行校核。規(guī)范中，將管道應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，分別進(jìn)行校核，校核結(jié)果見表3和表4。

1) 4 MPa設(shè)計(jì)壓力工況的校核結(jié)果

表3 4 MPa設(shè)計(jì)壓力校核結(jié)果

2) 0.3 MPa壓力工況下校核結(jié)果

表4 0.3 MPa內(nèi)壓校核結(jié)果

根據(jù)校核結(jié)果，管道漂管后，在4 MPa設(shè)計(jì)壓力工況下，管道應(yīng)力超出了ASME B31.8中對(duì)于非約束管道的應(yīng)力要求；降低運(yùn)行壓力后，在0.3 MPa壓力工況下，管道應(yīng)力能夠滿足相關(guān)應(yīng)力要求。說明漂管后減壓運(yùn)行有助于減小管道應(yīng)力，保證管道安全。

3.4 處理措施

管道附加應(yīng)力是由于位移引起的。為減小管道應(yīng)力，應(yīng)盡可能恢復(fù)管道位移。采取如下措施：

1) 管溝開挖

管道位置下方進(jìn)行人工開挖，深度從0 m～0.5 m漸變。管道每隔20 m預(yù)留1 m寬土體暫不開挖。開挖過程中，嚴(yán)防開挖工具傷及防腐層及管道，同時(shí)密切關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)管道變化。

2) 管道復(fù)位

開挖人員在管道介質(zhì)流向左側(cè)，同時(shí)開挖管溝中的預(yù)留土體，使管道依靠重力自然下沉，恢復(fù)至原始線位。每次開挖、沉管0.2 m，注意預(yù)留土體的開挖方向、開挖速度保持一致。測(cè)量人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)管道位置有偏離趨勢(shì)，及時(shí)調(diào)整挖掘方向和速度。

3) 坐標(biāo)復(fù)測(cè)

管道復(fù)位后，再次測(cè)量管道坐標(biāo)，確認(rèn)數(shù)據(jù)后，每道焊口再次進(jìn)行射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)，確定合格后進(jìn)行防腐補(bǔ)傷、分層回填。

3.5 管道處理效果

經(jīng)對(duì)比管道復(fù)位后的坐標(biāo)和原始坐標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，管道位移量明顯減小，如表5所示。

根據(jù)ASME B31.8校核計(jì)算可知，管道復(fù)位后，在4 MPa設(shè)計(jì)壓力工況下，管道應(yīng)力能夠滿足非約束管道的應(yīng)力要求，校核結(jié)果如表6所示。

表5 管道復(fù)位后位移(m)

表6 管道復(fù)位后4 MPa設(shè)計(jì)壓力下校核結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過有限元分析和計(jì)算，驗(yàn)證了漂管處理措施的有效性，對(duì)類似事件的處理具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，總結(jié)了漂管后的處理措施，得出結(jié)論如下：1) 管道漂管發(fā)生位移后，管道應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)對(duì)漂管后管道的應(yīng)力進(jìn)行校核；2) 可采用配重塊和螺旋地錨等措施預(yù)防漂管；3) 降低管道運(yùn)行壓力有助于改善管道不利的應(yīng)力狀態(tài)；4) 采取管道復(fù)位措施有利于減小管道應(yīng)力；5) 管道復(fù)位過程中應(yīng)詳細(xì)制定施工措施，密切關(guān)注管道變形趨勢(shì)，防止發(fā)生不可控的管道變形。