信碩 楊永 管磊 劉爭 李揚

（1.中油國際尼羅河公司，北京100000；2.中油管道檢測技術(shù)有限責任公司，河北 廊坊065000）

油氣管道運輸是五大運輸產(chǎn)業(yè)之一，管道往往穿越復雜的地質(zhì)構(gòu)造帶，其間各種自然災害，例如山體滑坡、山洪、地震等容易造成比較大的管道位移，嚴重影響管道的安全運營，如不及時發(fā)現(xiàn)處理，容易造成重大的安全事故和經(jīng)濟損失。

由洪水暴發(fā)沖刷管道，導致埋地管道裸露懸跨，而造成的管道漂管，嚴重影響管道的安全運營。本文以海外某管道漂管事故為分析對象，對這一問題進行了初步的研究，分析了不同腐蝕缺陷深度、不同壓力對應力集中系數(shù)的影響，計算了不同的漂管長度下管道的綜合受力，并對漂浮管道按屈服強度失效準則進行了評價，給出了安全等級，通過分析計算為洪水漂浮管道現(xiàn)場搶修和后期維護提供了安全評定理論依據(jù)。

1 力學模型

1.1 載荷分析

漂浮管道主要受內(nèi)壓載荷、溫度載荷和洪水載荷的相互作用，按作用方向?qū)⒐艿浪茌d荷分為兩類：一是水平(沿流速方向)水流拖曳力FD和慣性力FI；二是豎直方向的浮力Ff、重力W和水流升力FL。管道因承受兩個方向上的作用力而呈現(xiàn)水平和豎向組合彎曲變形。因此，洪水作用下的管道表現(xiàn)為復雜的空間受力形式。

管線承受載荷后，將沿圓周方向產(chǎn)生環(huán)向應力，沿軸線方向產(chǎn)生軸向應力，沿管線直徑方向產(chǎn)生徑向應力，由于徑向應力較小，為便于求解一般不考慮，因此分別對環(huán)向應力和軸向應力進行分析計算。考慮到漂管段有腐蝕缺陷，為保守起見，計算管道受力為正常管道受力乘以應力集中系數(shù)。

1.2 應力集中系數(shù)

因漂浮管道存在腐蝕缺陷，在缺陷處必定會發(fā)生應力集中，因此，計算含缺陷漂浮管道時應考慮應力集中系數(shù)問題。應力集中系數(shù)的研究方法有兩種：一種是實驗法；另一種是理論計算。本文應用有限元法對管線腐蝕缺陷區(qū)的應力集中系數(shù)SCF（Stress Concentration Factor）進行計算理論計算。

1.3 解析計算方法（見圖1）

1.3.1 環(huán)向應力：σp1=

1.3.2 軸向應力計算

軸向正應力σal：

軸向彎曲應力σab：

漂浮段管段因承受彎矩，從而引起管段的軸向應力，管壁的凹凸兩個側(cè)面將分別為軸向拉應力和軸向壓應力，漂浮段管道承受的軸向彎曲應力σab由σp2W、σp2R和σp2H三部分組成，即：σab=σp2W+σp2R+σp2H

軸向應力的疊加

軸向正應力：σal=σp2t+vσp1+σp2a

軸向彎曲應力：σab=σp2W+σp2R+σp2H

軸向合成應力：σa=σal±σab

1.3.3 等效合成應力

漂浮段不僅承受軸向應力，還要承受環(huán)向應力，屬于多向應力狀態(tài)，對于油氣管道來說，通常采用第四強度理論來計算管道承受的綜合應力。因漂浮管道存在局部球形腐蝕缺陷，考慮應力集中系數(shù)K 對管道應力的影響，按Von-Mises 屈服準則相疊加，從而得到管道等效合成應力[6]。

其中：σ1=Kσ1；σ2=Kσ2+σT；σ3=Kσ3。

圖1 受力分析示意圖

1.4 失效準則

管材屈服強度失效準則為：管道的屈服強度要≥管道承受的綜合應力：

式中，σs—材料的屈服強度。

當σs＞σ則安全；當σs＜σ則發(fā)生屈服失效?？紤]安全系數(shù)ns，管材屈服強度失效準則為[1]：

式中，[σ]—許用應力；

ns-安全系數(shù)，參考DNV OS F101 給出的安全系數(shù)，計算采用安全等級“高”時的安全系數(shù)，即ns=1.308。

2 算例分析

在此管道的漂管事故中，管道漂浮長度約40 m，在一般懸跨管道問題的分析中均假設(shè)管道支撐為固支或鉸支，為保守起見，計算分析中假設(shè)管道支撐為固支邊界條件。在模擬計算中，假設(shè)在管道最大受力處有3 mm深的外部球形腐蝕缺陷，考慮應力集中系數(shù)對漂浮管道的影響，分析了不同壓力、不同缺陷深度對應力集中系數(shù)的影響；令管道中部的位移作漂移量來計算，分別計算了不同的漂管長度、不同的洪水流速對管道造成的管體應力分布，并對漂管進行了強度評價。

2.1 應力集中系數(shù)的建模分析

建立含缺陷管道的有限元模型，對模型進行網(wǎng)格劃分，加載載荷，計算缺陷處其所受應力，將計算出來的應力與管線未受腐蝕時在正常載荷作用下引起的正常應力相比，即可計算出SCF。

為合理的建立含腐蝕坑缺陷的管道有限元模型，需要注意以下兩點：

（1）由于缺陷形狀復雜，分析中需要簡化，但是在簡化時，應盡量避免引入新的影響因素，因此需合理構(gòu)造和簡化模型，本文中用球形坑來模擬球形腐蝕缺陷。

（2）模型合理離散化，劃分網(wǎng)格單元時，采用合理的單元形式，描述實體增加計算精度。

2.1.1 相同壓力下不同腐蝕深度下的應力集中系數(shù)。

圖2 壓力一定，缺陷深度與應力集中系數(shù)的關(guān)系曲線

在內(nèi)壓保持不變的條件下，對不同深度的缺陷進行計算，計算結(jié)果為：在腐蝕深度1～3mm時，應力集中系數(shù)隨腐蝕深度的增加而增加；在腐蝕深度3～6mm 時，應力集中系數(shù)趨于穩(wěn)定。因腐蝕缺陷深度對應力集中系數(shù)的影響較大，計算時必須考慮不同腐蝕缺陷深度對應力集中系數(shù)的影響。

2.1.2 相同深度下不同壓力下的應力集中系數(shù)。

圖3 缺陷一定，壓力與應力集中系數(shù)的關(guān)系曲線

在腐蝕缺陷保持不變的條件下，通過對不同內(nèi)壓下應力集中系數(shù)的計算，去除分析時精度對計算結(jié)果的影響，應力集中系數(shù)趨于穩(wěn)定，即腐蝕缺陷確定的條件下應力集中系數(shù)趨于穩(wěn)定，不隨壓力的變化而變化。

根據(jù)計算結(jié)果：腐蝕深度3mm，壓力4.4MPa 時的應力集中系數(shù)為1.86。

2.2 應力建模計算

不同的漂管長度對管道造成的管體應力分布：

3mm深的外部球形腐蝕缺陷處的應力集中系數(shù)K=1.86，在內(nèi)壓4.4MPa時的計算結(jié)果，如下圖4所示。

圖4 不同漂管長度與管道合成應力的關(guān)系曲線

在其他條件保持不變的前提下，通過對不同長度的漂浮管道進行合成應力的計算，隨著漂浮長度的增加，管道所受綜合應力增加，在漂浮長度50m 時，管道承受的綜合應力大于管道的屈服應力，管道發(fā)生失效。

此40m漂浮管道所受的綜合應力σ為354MPa，管道屈服強度σs為414MPa，漂浮管道安全，安全系數(shù)：117，參考DNV OS F101給出的安全系數(shù)，漂浮管道安全等級達到安全等級“中”時的安全系數(shù)，即漂浮管道安全等級為“中”。

3 結(jié)語

（1）分析了洪水漂浮管道的載荷特點，計算了含缺陷漂浮管道缺陷處的應力集中系數(shù)，建立了管道力學分析模型和解析計算方法。

（2）建立有限元模型來計算應力集中系數(shù)，并分析了不同壓力、不同缺陷對應力集中系數(shù)的影響。

（3）建立了漂管理論模型，并分析計算了不同漂浮長度下管道所受的綜合應力，并根據(jù)屈服強度失效準則進行了失效判定。

（4）漂浮管道的綜合應力354MPa 小于管道屈服強度414MPa，漂浮管道安全。參考DNV OS F101 給出的安全等級，漂浮管道安全等級為“中”。