浦哲 任彬 石生芳 趙番 王潔璐 李瑋

上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院 （上海 200062）上海壓力管道智能檢測工程技術研究中心 （上海 200062）

石油是重要的戰(zhàn)略物資和化工原料，石油石化工業(yè)是發(fā)達國家、產(chǎn)油國家的基礎產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。如今石油、天然氣資源已打破國界，產(chǎn)油國和消費國的利益平衡，影響著世界經(jīng)濟甚至全球的穩(wěn)定。管道運輸是油氣資源的最佳輸送方式，長輸管道是指產(chǎn)地、儲存庫、使用單位間用于輸送商品介質(zhì)的管道，一般具有以下特點：輸送距離長，常常穿越多個行政區(qū)劃，甚至國界；輸送商品介質(zhì)；大多設有中途加壓泵站；一般有穿越、跨越工程；絕大部分管道為埋地敷設；管線的設計和施工驗收均遵循GB 50253—2014《輸油管道工程設計規(guī)范》、GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》以及GB 50369—2014《輸油輸氣管道線路工程施工及驗收規(guī)范》。當管道穿越河流時，一般采用跨越管道或者穿越管道的方式。穿越管道與跨越管道的區(qū)別在于穿越管道是管道從障礙物下通過，而跨越管道是從障礙物上部通過。穿越河流在長輸管道工程中占有相當比例，一般可以采用大開挖穿越、定向鉆穿越、鉆爆隧道穿越、盾構(gòu)隧道穿越、頂管穿越等。但是由于埋地管道敷設在地下，容易受到土壤、地下水、雜散電流等復雜的外腐蝕環(huán)境帶來的危害。同時，輸送的介質(zhì)可能含有硫化氫等腐蝕性物質(zhì)，形成管道內(nèi)的腐蝕環(huán)境。管道一旦出現(xiàn)泄漏，因不易被發(fā)現(xiàn)，容易引發(fā)事故，因此，需要對該部分管道進行重點檢測。

我國部分管道修建于20世紀70年代，受當時管道建設的技術水平、設計水平等條件的限制，服役過程中出現(xiàn)一些預想不到的情況。近幾年來，埋地壓力管道事故屢有發(fā)生，2013年11月22日，中石化東黃輸油管道與排水暗渠交匯處管道因腐蝕減薄發(fā)生破裂，原油泄漏進入市政排水暗渠，油氣在形成密閉空間的暗渠內(nèi)積聚，遇到火花就發(fā)生爆炸[1]。目前，我國部分地下管道已經(jīng)處于管道的老齡化階段。

管道受到土壤重力、水底浮力、溫度變化、內(nèi)部壓力等波動，導致受力非常復雜，一旦管道應力超出標準值，將會造成管道材料破壞，產(chǎn)生嚴重后果。因此在特殊敷設地段及特殊運行工況下，管道的應力分析評價工作必須開展，對于長輸管道設計的規(guī)范，國內(nèi)通常依照GB 50253—2014的要求，國外通常遵循ASME B31.4-2016的標準，這兩種標準對于應力校核的方法基本一致。

1 穿越管道應力分析

1.1 應力分析判別標準

某長輸管道采用定向鉆方式穿越河道，設計參數(shù)如表1所述。埋地管道受力較架空管道更為復雜，因此，綜合考慮各種主要荷載因素，建立合理的管土相互作用模型，計算管道上所受到的應力和變形非常重要。設計中地區(qū)等級劃分方式為1級2類，設計系數(shù)為0.72。

表1 管道參數(shù)表

埋地管道的特點在于土壤對管道的約束。管道因一次應力和二次應力與土壤建立約束關系，埋地管道因為溫差變化發(fā)生膨脹收縮變形，但是由于土壤的作用，阻礙這種變形的發(fā)生，主要表現(xiàn)為土壤對管道的軸向摩擦力和橫向推力。管道的軸向應力包括熱膨脹應力、泊松效應力以及介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向分力。由于管道軸向應力在一定的溫度、壓力下不變，但是在管道的出土、入土端，土壤的軸向摩擦力不夠，因此上述位置為活動端；隨著管道埋入地下的長度不斷增加，土壤軸向摩擦力不斷增大，當管道的軸向應力和土壤摩擦力相等時，管道產(chǎn)生了自然錨固點。發(fā)生熱位移的管段稱為錨固段；埋地管道的彎頭、三通等處，管件因為溫差變化容易產(chǎn)生橫向變形，為過渡段。管道在受熱后的力學區(qū)域分布如圖1所示。

圖1 埋地管道各區(qū)域受力分布

雖然錨固段和過渡段的判別方式各不相同，但計算的管道應力數(shù)值不應超過表2數(shù)據(jù)。

表2 管道系統(tǒng)應力最大允許值

其中：E為焊縫接頭系數(shù)；Sy為管道材料的最小屈服強度，MPa；f為應力減小系數(shù)；Sc為在安裝溫度或工作溫度二者較低溫度下的許用應力，MPa；SH為在安裝溫度和工作溫度二者較高溫度下的許用應力，MPa。CAESARⅡ軟件是國際通用的管道應力分析軟件，廣泛應用于石油、石化、電力等領域。CAESARⅡ是以梁單元模型為基礎把管道模擬為剛性桿的有限元分析軟件，它可以按照ASME B31系列進行應力校核。

1.2 模擬土壤模型

管道埋到土壤里，其移動要克服土壤的約束力。因此，對于土壤模擬的準確性直接關系到應力計算的結(jié)果。埋地管道分析的一個重要內(nèi)容是弄明白土壤與管道的相互作用。CAESAR II常用的建立土壤模型的方法有Peng理論[3]、American Lifelines Alliance （ALA理論）[4]。Peng理論認為土壤支撐運用具有初始剛度、極限載荷和屈服剛度的雙線性彈簧來模擬，通常將屈服剛度設為接近于0，即一旦達到極限載荷，即使位移不斷增加，載荷也不會進一步增大。埋地管道分析需要計算橫向和軸向極限載荷，極限載荷除以屈服位移得到該方向上的剛度。

陳俊文等[7]利用CAESARⅡ軟件研究土壤對埋地管道錨固的規(guī)律，并用軟件驗證公式計算自然錨固段長度的正確性；丁清一等[8]利用CAESARⅡ軟件對蘇丹輸油管道進行應力分析以及對固定墩推力進行計算，目前該管道已經(jīng)運行10多年，未發(fā)生任何管道應力損傷或者固定墩傾覆事故，說明該軟件模擬的土壤約束是真實可靠的。同時他認為手工計算無法較真實地模擬土壤約束，無法進行細致的應力分析，所以手工計算結(jié)果相對保守，且增加了成本。

本研究采用Peng理論模擬土壤約束，該理論在CAESAR II中按照 “CAESAR II Basic Soil Model”來建立。模型建立完成后保存退出，回到CAESAR II初始主界面，點擊菜單欄中 “Underground Pipe Modeler”選項，進入埋地管道土壤模型輸入界面。土壤模型編號 （SOIL MODEL NO.）中的 “0“表示地面以上管道， “1”表示用戶自己定義剛度， “2”或者大于2的數(shù)字表示CAESAR II軟件中的土壤模型。

一般來說,管道的工況包含了設計、安裝、試壓、運行各種工況，每種工況下的壓力、溫度等均有差別，管道試壓時采用潔凈水，軟件工況組合如表3所示。其中：T1為操作溫度，T2為設計溫度，P1為操作壓力，P2為設計壓力，W為管道及介質(zhì)重量，WW為充水重量，HP為水壓試驗壓力，U1為分布載荷，F(xiàn)1為集中載荷。為了校驗管道應力情況，按照表3進行了工況選定，對各種工況進行劃分并計算所有工況的應力值。結(jié)果表明一次、二次應力校驗合格，滿足ASME B31.4-2016的要求。通過軟件計算各工況最大應力所在節(jié)點位置以及所占需用應力的百分比，如表4所示。

表3 工況選取一欄表

表4 各工況最大應力一欄表

2 穿越河段管道外腐護層檢測

2.1 外防腐層檢測設備優(yōu)化

外防腐層是確保管道不產(chǎn)生腐蝕的第一道屏障，是最重要的防護措施。按照TSGD 7003—2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則——長輸（油氣）管道》的要求，應進行防腐層不開挖檢測，同時也可對位置埋深與走向進行調(diào)查。目前，在役檢測外防腐層的主要設備是PCM，其檢測原理如圖3所示。但是受檢測設備外型等因素影響，對穿越河段長輸管道無法實施檢測。經(jīng)過研究開發(fā)，通過優(yōu)化設備外型、性能等參數(shù)，可對穿越河段長輸管道實施在役檢測。

圖3 測量原理圖

交流地電位梯度法 （ACVG）中，埋地管道電流測繪系統(tǒng) （PCM）與交流地電位差測量儀 （A字架）配合使用，測量步驟為：將A字架的2個電極插入地面靠近發(fā)射機的接地極附近，對可疑管段進行前后左右多次檢測，直到發(fā)現(xiàn)最大信號位置。一般在破損點上方時，接收機面板讀數(shù)在35～65 dB之間，接近破損點時dB值增大，大一點的漏點信號可能會大于65 dB；以一定間隔沿著管線走向進行檢測，箭頭反轉(zhuǎn)表明有破損點，當離開破損點時，箭頭立即反向指向破損點，這時候需要反向移動，減小間隔重復測量，直到將A字架向前或者向后稍微移動，箭頭即刻變回反向時為止。當A字架正好位于破損點正上方時，顯示的箭頭為2個方向，同時顯示的dB值讀數(shù)最小，將A字架旋轉(zhuǎn)90°，并沿垂線進一步定位，至A字架向前或者向后稍微移動箭頭即刻變回反向。這樣A字架的中點即為管道防腐層的破損點位置。但是對于特殊檢測區(qū)域，如穿越河流段，無法用現(xiàn)有A字架插入地面獲得檢測信號。經(jīng)過優(yōu)化，分別配置兩根長鐵棍，并用連接線將它們分別連接在A字架上，這樣就可以達到檢測效果。

2.2 外防腐層檢測結(jié)果

利用優(yōu)化的設備進行了穿越河段埋地管道的檢測，并對數(shù)據(jù)按照相關標準進行外防腐層分級評價，檢測結(jié)果如表5所示。

表5 外防腐層檢測結(jié)果

通過對該穿越河段長輸管道檢測可知：該段穿越管道檢測總長約為41 m，實際可評價長度為41 m；質(zhì)量為1級的防腐層長度為30 m，占實際可評價長度的73.1%；質(zhì)量為2級的防腐層長度為10 m，占實際可評價長度的26.9%。外防腐層電流衰減率均值Y≤0.013；防腐層綜合等級為1級。

3 結(jié)語

應用CAESARⅡ軟件對長輸管道穿越河段進行應力分析，為管道全線提供應力分析報告，從應力方面證明管道的安全性和科學性。計算結(jié)果表明埋地管道彎頭在改變方向處，由于膨脹導致的橫向位移受到約束，容易造成應力過大。因此，對于埋地管道中的彎頭、三通等存在橫向位移的區(qū)域需要特別注意。

通過改造優(yōu)化現(xiàn)有設備，對穿越河段埋地管道外防腐層進行檢測，達到了預期效果，為這種處于特殊區(qū)域的管道提供了一種可行的檢測方案，保證了全覆蓋埋地管道的安全運行。