王佳旭，劉祁，陶江華，孫東旭，張春曉，閆玉麟，胡志勇

冷熱原油順序輸送管道熱應力與疲勞壽命分析

王佳旭1，劉祁2，陶江華2，孫東旭1，張春曉1，閆玉麟3，胡志勇1

（1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2.國家管網集團油氣調控中心 東北分控中心，遼寧 沈陽 110000； 3.撫順礦業(yè)集團有限責任公司 頁巖煉油廠，遼寧 撫順 113115）

近年來，隨著國外原油進口量的持續(xù)攀升以及國內油田產量的下降，管道輸送出現了不同油品需要用同一條輸油管線共同輸送的情況。以慶鐵四線管道為例，結合實際參數，應用ANSYS有限元分析方法，采用六面體結構性網格對管壁進行離散化處理，對埋地管道熱結構耦合問題進行求解，分別計算了直管段和彎管段在不同溫度下的熱應力；基于斷裂力學理論，計算了不同服役壽命下的年循環(huán)周期極限，分析了溫度交替變化對管道疲勞壽命的影響。實驗結果為冷熱原油管道安全輸送提供了理論依據。

應力分析； 埋地管道； 裂紋擴展壽命； 熱應力； 順序輸送

隨著我國經濟的快速發(fā)展，我國進口原油總量不斷增加，對原油輸送方面的研究也在不斷深入。為了掌握管道運行狀況，預防管道失效事故發(fā)生，對油氣輸送管道進行應力分析具有重要意義。冷熱原油順序輸送埋地管道，在內壓的作用下承受周向、軸向和徑向應力；在冷熱交替油溫作用下，承受交變熱應力；在周圍土壤的作用下，承受土壤摩擦阻力等。由此可知，埋地管道的受力情況比正常輸油管道更加復雜。因此，研究原油順序輸送過程中的熱應力計算是非常必要的[1]。本文根據慶鐵四線管道的實際情況，結合相關管道參數,對其直管段和彎管段在不同溫度下的熱應力進行分析，并結合裂紋擴展壽命評估方法，對直管段和彎管段的交變應力及疲勞壽命進行了分析計算。

當不同種類的原油混合輸送時，原油的物性發(fā)生變化，會給下游企業(yè)的煉油加工增加難度，因此出現了原油順序輸送方式[2]。原慶鐵四線輸送慶吉原油流量下降，為保證其安全運行，將進口俄羅斯原油（俄油）轉入慶鐵四線，并與慶吉原油共同輸送，即采用“單管多輸”的輸送方式?；旌陷斔秃晚樞蜉斔途赏瓿伞皢喂芏噍敗钡妮斔湍繕?。混合輸送管輸工藝比較簡單，但不同原油的物性存在差別，因此單純采用混合輸送的方法可能對化工煉廠產生不良影響。為了保證輸送安全，選擇將原慶鐵三線部分進口俄油轉入慶鐵四線輸送，從而慶鐵三線俄油量減少，大大緩解了慶鐵三線的輸送壓力。慶鐵四線采用順序輸送慶吉原油與俄油的方式，導致全線工藝計算更加復雜，若想達到安全輸送的目的，必須做好相應熱應力及疲勞壽命的細致理論研究。

1 直管段熱應力分析

應用ANSYS有限元分析方法，對埋地管道熱結構耦合問題進行求解[3?5]。實驗所用管道為慶鐵四線L450M管道，管道模型長度為3 m，安裝閉合溫度為8 ℃，運行溫度分別設置為60、50、40、30 ℃，管道端面設為固定約束條件。慶鐵四線管道參數如表1所示。

表1 慶鐵四線管道參數

圖1 直管段網格劃分

（a） 30 ℃

（b） 40 ℃

（c） 50 ℃

（d） 60 ℃

圖2 不同溫度下直管段熱應力分布

Fig.2 Thermal stress distribution of straight pipe sections at different temperatures

分析圖2可知，管道兩端受邊緣效應影響，熱應力集中，但分析熱應力時主要取管道中間區(qū)段，因此管道兩端的應力集中對熱應力分析影響不大；對于管道中間區(qū)段，隨著管道內油品溫度的增加，熱應力增大。

為了進一步定量分析溫度對熱應力的影響，取管道表面軸向作為分析對象，繪制了直管段表面沿軸向的熱應力分布，結果如圖3所示。由圖3可知，當管道內油品溫度為30 ℃時，熱應力為56.0 MPa，隨著管道內油品溫度的增加，熱應力上升，當管道內油品溫度增加到60 ℃時，管道熱應力為131.0 MPa。

圖3 管直管段表面熱應力

由以上分析可知，由油品溫度引起的管道熱應力遠遠小于管材的最低屈服強度（450.0 MPa）。然而，在實際管道運行中，由內壓引起的管道環(huán)向應力為主要應力[6?7]，因此為綜合分析熱應力和管道內壓作用下的應力狀態(tài)，對有限元模型中的管道內表面施加6.3 MPa的壓力均布載荷，應力計算結果如圖4所示。

圖4 溫差與內壓聯合作用下的直管段應力分布

分析圖4可知，當溫差與管道內壓聯合作用時，管道表面出現不均勻的應力分布，最大等效應力約為295.0 MPa，滿足管道承壓能力要求。

2 彎管段熱應力分析

在長輸管道運行中，當輸送介質溫度升高時，管道發(fā)生熱脹現象，彎頭兩側直管段的熱脹量向彎頭集中，使彎頭及其附近的直管段產生側向位移[8]。由于位移受到土壤的約束，彎頭承受很大的內力（彎矩、軸力和剪力）。為了研究彎管段的熱應力分布情況，采用六面體結構性網格掃略劃分方法，建立了90°彎頭有限元模型，結果如圖5所示。

圖5 彎管段網格劃分

計算了油品運行溫度為30、50 ℃時的彎管段熱應力，結果如圖6所示。由圖6可知，彎管段熱應力分布極不均勻，計算結果與直管段計算結果存在顯著差別；當油品溫度為30 ℃時，彎管段的最大等效熱應力為18.0 MPa；當油品溫度為50 ℃時，彎管段的最大等效熱應力為46.0 MPa。彎管段的熱應力小于直管段的熱應力，這是由于彎管對熱應力具有緩沖作用，類似于π型補償器。

為綜合分析熱應力和管道內壓作用下的彎管段應力狀態(tài)，對有限元模型中彎管道內表面施加6.3 MPa的壓力均布載荷[9]，彎管段應力計算結果如圖7所示。由圖7可知，當溫差與管道內壓聯合作用時，管道表面出現不均勻的應力分布，最大等效應力約為351.0 MPa，滿足管道承壓能力要求。

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3 溫度交替變化對管道疲勞壽命的影響

3.1 裂紋擴展壽命評估方法

管道中的各種交變應力使鋼管內部和表面缺陷擴展，從而引起鋼管的疲勞斷裂[10]。為了精確判斷不同尺寸裂紋的危險性以及是否需要維修，應確定特定裂紋的擴展壽命。基于斷裂力學的裂紋擴展壽命理論，從能量和應變場強度兩個角度來研究大范圍的材料屈服。在線彈性力學范圍內，裂紋尖端應力場強度用應力強度因子描述[11?12]，見式（1）。

（a） 30 ℃

（b） 50 ℃

圖6 不同溫度下彎管段熱應力分布

Fig.6 Thermal stress distribution in elbow section at different temperatures

圖7 溫差與內壓聯合作用下的彎管段應力分布

在交變應力作用下裂紋不斷擴展，并在達到一定極限時發(fā)生斷裂，材料的脆性斷裂準則為：

由Paris公式可知:

對式（4）進行積分得到：

將式（1）代入式（5）得到式（6）。

3.2 計算條件確定

為評估裂紋擴展壽命，需要確定初始裂紋尺寸、臨界裂紋尺寸、管道裂紋尖端的應力強度因子[13?15]。

初始裂紋尺寸是指開始計算疲勞壽命時的管道最大原始尺寸，可以用無損探傷技術檢測。

裂紋尖端的應力強度因子表達式中的形狀系數與裂紋大小、位置等參數有關。對油氣管道常出現的半橢圓形裂紋[16]（見圖8），按式（7）-（8）計算。

圖 8 半橢圓裂紋形式

3.3 交變應力分析實例

以慶鐵四線實際輸油管道壁厚（8.0 mm）為例。假設裂紋深度為4.0 mm，裂紋全長為50.0 mm，最大臨界裂紋深度為6.4 mm。通過查閱資料，得到管道材料的疲勞擴展相關參數：=2.61×10-10，=2.61。當輸油溫度變化為30 ℃（假設慶油溫度為60 ℃，俄油溫度為30 ℃）時，根據其熱應力計算結果可知,該溫差下熱應力的變化量為75.0 MPa。

根據式（7）-（8）計算得到：

從安全角度考慮，應取一定的安全裕度[17?19]，借鑒相關經驗，取安全系數為2.4[20]。若設定管道疲勞擴展壽命為20年，則每年完成的冷熱油循環(huán)周期極限為139次；若設定管道疲勞壽命為30年，則每年完成的冷熱油循環(huán)周期極限為93次。

4 結 論

1）對于直管段，當油溫為30 ℃時，熱應力為56.0 MPa，隨著油品溫度增加，熱應力近似呈直線上升，當油品溫度增加到60 ℃時，熱應力為131.0 MPa。在熱應力與管道內壓的共同作用下，最大熱應力小于管材的最小屈服強度，滿足安全輸送要求。

2）對于彎管段，當油溫為30 ℃時，最大等效應力為18.0 MPa；當油品溫度為50 ℃時，最大等效應力為46.0 MPa，彎管的熱應力小于直管段。在熱應力與管道內壓的共同作用下，彎管最大應力顯著增加，但仍小于管材的最小屈服強度。

3）基于斷裂力學理論，計算了不同服役壽命下的年循環(huán)周期極限。當管道疲勞擴展壽命為20年時，每年完成的冷熱油循環(huán)周期極限為139次；當管道疲勞壽命為30年時，每年完成的冷熱油循環(huán)周期極限為93次。

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Thermal Stress and Fatigue Life Analysis of Cold and Hot Crude Oil Pipeline

WANG Jiaxu1， LIU Qi2， TAO Jianghua2， SUN Dongxu1， ZHANG Chunxiao1， YAN Yulin3， HU Zhiyong1

（1.College of Petroleum Engineering， Liaoning Petrochemical University， Fushun Liaoning 113001，China；2.Northeast Branch Control Center of Oil and Gas Control Center of National Pipeline Network Group， Shenyang Liaoning 110000，China；3.The Shale Oil Plant of Fushun Mining Group Co.，Ltd.， Fushun Liaoning 113115，China）

In recent years, with the continuous increase of foreign crude oil imports and the decline of domestic oilfield production, different oil products may need to be transported together by the same oil pipeline during the transportation process.The fourth oil pipeline of Qingtie is taken as an example. Combined with the actual parameters, the pipe wall is discretized by using the finite element analysis method of ANSYS and the hexahedral structural grid. The thermal structure coupling problem of the buried pipeline is solved, and the corresponding thermal stresses of the straight pipe section and the bent pipe section at different temperatures are calculated respectively. Based on the theory of fracture mechanics,the number of annual limit cycles under different service life is calculated, and the influence of temperature alternation on pipeline fatigue life is analyzed, which provides a theoretical basis for the safe transportation of cold and hot crude oil pipelines.

Stress analysis； Buried piping； Crack propagation life； Thermal stress； Sequential conveying

TE832

A

10.12422/j.issn.1672?6952.2024.01.008

2023?02?20

2023?03?23

遼寧省教育廳基本科研項目（LJKMZ20220734）；遼寧省“興遼英才計劃”青年拔尖人才項目（XLYC1907059）。

王佳旭（1996?），男，碩士研究生，從事冷熱原油順序輸送工藝方面的研究；E?mail：1340957936@qq.com。

胡志勇（1981?），男，博士，副教授，從事原油管道安全輸送技術方面的研究；E?mail：huzhiyong024@163.com。

王佳旭,劉祁,陶江華,等.冷熱原油順序輸送管道熱應力與疲勞壽命分析[J].遼寧石油化工大學學報,2024,44(1):49-54.

WANG Jiaxu,LIU Qi,TAO Jianghua,et al.Thermal Stress and Fatigue Life Analysis of Cold and Hot Crude Oil Pipeline[J].Journal of Liaoning Petrochemical University,2024,44(1):49-54.

(編輯 王戩麗）