王等等，馬輝，浦哲

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

0 引言

由于船運(yùn)具有裝卸量大、運(yùn)費(fèi)低等特點(diǎn)，在自然條件允許的情況下，液體散貨貿(mào)易普遍采用此種方式。液體散貨的裝卸船需要通過(guò)裝卸設(shè)施及管道將船舶與陸域罐區(qū)相連接，一旦管道設(shè)計(jì)不合理，不但影響正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，發(fā)生泄漏后也會(huì)對(duì)土壤及海洋環(huán)境造成很大的破壞[1]。由美國(guó)COADE公司研發(fā)的應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ已廣泛應(yīng)用于管道設(shè)計(jì)行業(yè)，采用此款軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的管道建模后進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理的問(wèn)題，設(shè)計(jì)者可根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保證管道安全運(yùn)營(yíng)[2]。

1 港口工程管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1）港口工程管道敷設(shè)常采用架空敷設(shè)的形式，只有在輸送距離較遠(yuǎn)或工程有特別要求時(shí)，才會(huì)在陸域部分采用埋地敷設(shè)。

2）港口工程管道由于受到海浪、鹽霧、雨雪、日照等惡劣環(huán)境的影響，暴露在空氣中的架空管道易受侵蝕；埋地管道在土壤中也會(huì)受到地下水及雜散電流的腐蝕，設(shè)計(jì)除考慮外防腐措施外，需要考慮一定的腐蝕余量[3]。

2 CAESARⅡ軟件應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)碼頭管道架空敷設(shè)于管架上，而陸域管道埋地敷設(shè)時(shí)，兩種管道敷設(shè)形式的不同導(dǎo)致管道受力不同，進(jìn)而導(dǎo)致管道破壞形式不同，在進(jìn)行應(yīng)力校核及受力分析時(shí)應(yīng)選擇不同的校核規(guī)范，見(jiàn)表1。

表1 架空管道及埋地管道受力及校核內(nèi)容Table1 Stressand check conditions of overhead and buried pipeline

2.1 架空管道應(yīng)力校核

1）架空管道一次應(yīng)力校核分析

對(duì)于架空敷設(shè)的管道，根據(jù)ASME B31.3的規(guī)定[4]，其一次應(yīng)力校核條件為：

①滿足管道的壁厚及補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算要求，則可判定出管道的內(nèi)壓所產(chǎn)生應(yīng)力是安全的；

②滿足管道組件的壁厚及剛度要求，則可判定出管道的外壓所產(chǎn)生的應(yīng)力是安全的；

③管道系統(tǒng)任一組件由于持續(xù)荷載所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和SL不超過(guò)材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力Sh[4，6-7]。

根據(jù)上述描述的一次應(yīng)力校核的條件，其表達(dá)公式如下：

式中：F為由于持續(xù)荷載產(chǎn)生的軸向力，N；A為管道橫截面積，mm2；P為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為平均直徑，mm；t為壁厚，mm；Z為抗彎截面模量，mm3；M為合成彎矩，N·mm。

式中：ii、io分別為平面內(nèi)、外應(yīng)力的增強(qiáng)系數(shù)；Mi、Mo分別為由于持續(xù)荷載產(chǎn)生的平面內(nèi)、外彎矩，N·mm。

2）架空管道二次應(yīng)力校核分析

架空管道二次應(yīng)力校核分析的條件為：管道系統(tǒng)計(jì)算所得位移應(yīng)力范圍SE應(yīng)不大于許用位移應(yīng)力范圍SA。按照組合情況的最大剪應(yīng)力理論的當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算位移最大應(yīng)力范圍[4，6]。

根據(jù)上述二次應(yīng)力校核條件，通常情況下其表達(dá)式為：

式中：ii、io分別為平面內(nèi)、外應(yīng)力的增強(qiáng)系數(shù)；Mi、Mo分別為由于溫度荷載引起的平面內(nèi)、外彎矩，N·mm；Z為直管段、彎頭及等徑三通的主管、支管的抗彎截面模量，mm3；Mn為管道截面的扭矩，N·mm；[σ]c、[σ]b分別為在分析中的位移循環(huán)內(nèi)，材料在冷、熱狀態(tài)下的許用應(yīng)力，MPa；σL為管道中由于各持續(xù)荷載所產(chǎn)生縱向應(yīng)力的總和，應(yīng)取所有工況的最大值，MPa；f為管道位移應(yīng)力范圍減小系數(shù)。

2.2 埋地管道應(yīng)力校核

1）埋地管道簡(jiǎn)化模型

CAESARⅡ在進(jìn)行埋地管道應(yīng)力分析時(shí)，根據(jù)土壤的特性，將土壤作用在管道上的約束簡(jiǎn)化為軸向和橫向上的點(diǎn)約束力[8-9]，見(jiàn)圖1。

圖1 埋地管道簡(jiǎn)化土壤約束模型Fig.1 Simplified soil restraint model of buried pipeline

①軸向荷載及土壤剛度的計(jì)算

軸向單位長(zhǎng)度摩擦力為管道自重、管內(nèi)介質(zhì)重量及管道上方土壤重量引起的管道與土壤之間摩擦力之和，其表達(dá)式為：

式中：μ為土壤摩擦系數(shù)，其中泥沙取0.4，沙土取0.5，砂礫取0.6，黏土取0.7；D為管道直徑；ρs為土壤密度；H為管道至管頂?shù)穆裨O(shè)深度；ρp為管道密度；ρf為管道內(nèi)流體密度；t為管道公稱壁厚。

土壤約束剛度在軸向上通過(guò)土壤屈服位移及軸向荷載求出，其表達(dá)式為：

式中：Yd為土壤屈服位移，Yd=k（H+D），屈服位移系數(shù)k通常取值0.015。

②橫向荷載及土壤剛度的計(jì)算

橫向單位長(zhǎng)度荷載表達(dá)式為：

式中：φ為土壤內(nèi)摩擦角，其中沙土取27°～45°，泥沙取26°～35°，黏土取0°；OCM為回填夯實(shí)系數(shù)。

土壤約束剛度在橫向上通過(guò)土壤屈服位移及橫向荷載求出，其表達(dá)式為：

公式中其余符號(hào)含義同軸向單位長(zhǎng)度荷載。

2）埋地管道校核

ASME B31.4[5]除了滿足管道內(nèi)壓、外壓應(yīng)力外，要求對(duì)縱向應(yīng)力分別進(jìn)行校核，再對(duì)兩種應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力進(jìn)行校核，ASME B31.4—2016規(guī)范中對(duì)埋地管道校核計(jì)算公式進(jìn)行了更新[5]。

①管道內(nèi)、外壓應(yīng)力（環(huán)向應(yīng)力）應(yīng)滿足下式：

式中：Pi、Pe為設(shè)計(jì)內(nèi)、外壓力，MPa；D為管道外徑，mm；t為壁厚，mm；Sy為屈服應(yīng)力，MPa；F1為環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)系數(shù)，埋地管道取0.72。

②受約束管道的縱向應(yīng)力應(yīng)滿足下式：

式中：SL為最大軸向應(yīng)力，拉為正值，壓為負(fù)值，MPa；Sa為軸向應(yīng)力，拉為正值，壓為負(fù)值，MPa；Sb為最大合成彎矩，MPa；Fa為軸向力，N；A為管道橫截面積，mm2；ii，io分別為平面內(nèi)、外應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；Mi，Mo分別為由于持續(xù)荷載產(chǎn)生的平面內(nèi)、外彎矩，N·m；Z為抗彎截面模量，cm3。

③復(fù)合應(yīng)力應(yīng)滿足下列要求：

式中：St為扭應(yīng)力，其值為MPa；M為扭矩，N·m；式中其余符號(hào)含義同上。

2.3 架空及埋地管道系統(tǒng)應(yīng)力分析

由于架空管道與埋地管道校核規(guī)范不同，而碼頭至后方罐區(qū)的管道若存在兩種管道敷設(shè)形式并存的情況，此時(shí)在建立模型進(jìn)行受力分析時(shí)，應(yīng)以埋地點(diǎn)附近的固定支撐為分界，對(duì)架空管道及埋地管道分別采用對(duì)應(yīng)的校核規(guī)范進(jìn)行分析。

3 實(shí)例分析

3.1 管道基本情況

某工程通過(guò)管道將物料輸送至后方罐區(qū)，其中主要輸送管道為2根DN1200的原油管，管道設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度60℃，此段管道包含碼頭的架空管道及陸域埋地管道，管道在管架及埋地區(qū)域走向布置見(jiàn)圖2所示。

圖2 管道走向示意圖Fig.2 Layout of pipeline route

3.2 管道模型的建立

管道模型建立關(guān)鍵在于埋地管道土壤模型的建立，根據(jù)管道所處土壤為沙土，土壤摩擦系數(shù)取0.5，內(nèi)摩擦角為30°，由地質(zhì)報(bào)告得知土壤密度為0.001 5 kg/m3，至管頂埋深為1.2 m，土壤回填壓實(shí)系數(shù)OCM取8（夯實(shí)度大于95%），屈服位移系數(shù)通常取值為0.015，管道安裝溫度與設(shè)計(jì)溫度溫差為40℃。在埋地段選擇所建立土壤模型編號(hào)并確定入土點(diǎn)及出土點(diǎn)后即可進(jìn)行模型轉(zhuǎn)化。

管道系統(tǒng)最終模型見(jiàn)圖3所示，210為入土點(diǎn)，250為出土點(diǎn)。值得注意的是，經(jīng)轉(zhuǎn)化后的模型會(huì)出現(xiàn)管道密度及管內(nèi)流體密度缺失的情況，需要進(jìn)入輸入界面進(jìn)一步檢查，在10～190節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)選用B31.3[4]，190～270節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)通過(guò)勾選Allowable stress設(shè)置應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)為B31.4[5]，輸入完整后進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖3 管道系統(tǒng)模擬模型Fig.3 Simulation model of pipeline system

3.3 模型計(jì)算結(jié)果分析

建立模型后運(yùn)行分析，并根據(jù)運(yùn)行結(jié)果對(duì)管道支托設(shè)置的位置及支托類型進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化后的模型運(yùn)行結(jié)果，一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、熱應(yīng)力比率最大值及各最大值對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)力最大值及節(jié)點(diǎn)位置Table2 Maximum stressand node position

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果分析可知：

1）本工程應(yīng)力滿足要求，且一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及熱應(yīng)力比率最大值的位置均在彎頭附近或彎頭處。

2）由于本工程管徑較大，且操作溫度與安裝溫度之間的溫差較大，經(jīng)計(jì)算本工程埋地與架空管道處（190節(jié)點(diǎn)）水平推力受力約500 kN，需要設(shè)置相應(yīng)的固定墩。此時(shí)若存在多根原油管道，可將管道固定點(diǎn)分散設(shè)置在180、190管墩上，減小對(duì)同一個(gè)管架的水平推力。

3）管架上管道水平補(bǔ)償位置應(yīng)盡可能設(shè)置于兩個(gè)固定點(diǎn)中間。

4 結(jié)語(yǔ)

1）若港口工程管道系統(tǒng)中既有架空管道又存在埋地管道時(shí)，應(yīng)以埋地點(diǎn)附近的固定支撐為分界，架空管道及埋地管道，設(shè)置不同的應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)。

2）應(yīng)力最大值的位置通常在彎頭處或彎頭附近，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注，必要時(shí)采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

3）如果管道較多，可將管道固定點(diǎn)設(shè)置在不同管架上，減少單一管架的固定點(diǎn)水平推力。