输气管道应力影响因素分析

沙晓东 陈晓辉 黄 坤 卢思源 卢泓方

1.中国石化北京天然气分公司，北京 100029；

2.中国石油昆仑燃气西南分公司，四川 成都 610023；

3.西南石油大学石油工程学院，四川 成都 610500

0 前言

天然气广泛采用管道输送。 应根据输气量的需求选择不同管径的管道。 研究表明，不同管径的管道承受载荷的能力不同，由压力、温度等因素引起的应力值改变量也不相同。 使用应力分析软件CAESARⅡ对不同管径的管道进行应力分析， 通过改变温度和压力，得出不同管径管道应力的主要影响因素，为管道的设计和施工提供安全依据［1］。

1 输气管道应力分析

1.1 管道受力情况

管道承受的基本应力包括环向应力、 轴向应力、剪应力和径向应力，见图1。 环向应力由内压引起，方向垂直于轴向，平行于管壁圆周的切线。 轴向应力是平行于管轴的正应力，包括由作用于管道的轴向力引起的管子轴向正应力、由内压引起的轴向应力以及弯曲引起的轴向应力。 剪应力是作用在与材料晶体结构平面相平行的方向，并且可能使晶体相毗邻的平面相互产生滑动趋势的多种载荷。 径向应力由内压引起，方向平行于管子半径［2］。

图1 管道应力示意图

1.2 校核标准

根据应力基本特征， 将应力划分为一次应力、二次应力和操作应力：一次应力是由外载荷作用在管道内部产生的正应力或剪应力，无自限性，主要引起塑性破坏；二次应力是管道的变形受约束产生的正应力或剪应力，具有自限性和局部性，主要引起疲劳破坏；操作应力是由于载荷、结构形状的局部突变引起局部应力集中的最高应力值，它是脆性断裂和疲劳破坏的原因。

为了保证管件的强度安全，危险点处最大工作应力不允许达到（或接近）材料的极限应力。 因此，在设计管件强度时，不能以操作应力是否到达极限应力值来判断管件是否安全， 而应在管件极限应力的范围内，规定一个许用应力［σ］作为衡量管件是否满足强度要求的依据。 管道由于热胀冷缩、曲率发生突变、端点附加位移或受到约束，会产生相应的轴力、剪力、弯矩和扭矩，应力计算后需进行一次应力、二次应力和操作应力的校核。 管道一次应力值不得超过设计温度下管材的许用应力值；管道二次应力值不得超过许用应力范围； 操作应力即σL与σE之和σOPE应满足σL+σE≤σs［3］。

校核用计算公式：

式中： ［σ］为管材的许用应力，MPa；F 为不同地区强度设计系数；φ 为焊缝系数；σL为由压力引起的纵向应力与重力、风荷载等外载在管道中产生的纵向弯曲应力之和，MPa；σE为二次应力，MPa；σa为许用应力范围；σc为管材在20 ℃时的许用应力，MPa；σa为管道材料标准中规定的最小屈服强度，MPa；σb为载荷变化引起的弯曲应力范围； σOPE为操作应力，MPa； f为预期寿命内，考虑循环总次数影响的许用应力范围减少系数。

CAESAR Ⅱ软件的校核方法是依据美国ASME B31.8 Gas Transportation and Distribution Piping Systems（气体输送和分配管道系统）， 其对管道应力的分类、校核及执行标准都与国内管道设计规范要求相类似，不同的是管道校核许用应力采用的是管材许用应力值的90%［4］。

2 管道模型的建立

使用管道应力分析软件CAESAR Ⅱ对管道进行应力分析，模型的建立包括管系输入、覆土模型的建立及定义组合工况［5-6］。

管系输入是进行静力分析的基础，包括输入管道参数、空间走向、外界条件、管材参数、约束条件及管内介质参数。

覆土模型的建立包括输入土壤密度、 摩擦系数、压实系数、土壤埋入深度、入土点与出土点的选择及定义各管段的土壤模型等。

研究温度、 压力对不同管径管道应力的影响，忽略风载、地震等因素，只考虑自重、温度和压力，故管道的操作应力工况组合为：

式中：W 为自重应力载荷，MPa；T 为温度应力载荷，MPa；P 为压应力载荷，MPa。

操作工况是指载荷、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值。

3 实验方法

为了探究温度、压力对不同管径管道应力的影响情况，选取一系列管径的管道，通过改变管道运行的温度和压力，对比运行条件改变前后的应力比率变化大小，得出温度、压力对不同管径管道的变化规律。

设计一段直管段，管道总长度约1 000 m，研究模型的起点和终点分别设置固定支墩1、2， 用以截断研究对象以外管道对模型的影响。 根据英国Cambridge M.G 工程的资料，采用X80 钢Φ1 219×14.3 mm 的管道，根据等强度原则，选取一系列管径的管道，参数见表1［7-9］。 土壤参数见表2，建立的管道走向示意图见图2。 由于输气管道输送温度变化范围较大，故实验分为两组， 第一组实验基准温度为20 ℃常温，管道运行状态1 的工作条件为20 ℃、10 MPa，状态2相对状态1 压力不变，温度上升至30 ℃，状态3 相对状态1 温度不变，压力上升至12 MPa；第二组实验基准温度为较高温度50 ℃，管道运行状态4 的工作条件为50 ℃、10 MPa， 状态5 相对状态4 压力不变，温度上升至60 ℃，状态6 相对状态4 温度不变，压力上升至12 MPa，见表3。 地区等级为1 级，设计系数F 为0.72。

表1 各管径管道参数

4 分析结果

对常温（第一组）和高温（第二组）工作状态下几种管径的管道进行应力分析见图3，将分析结果汇总，见表4～5， 并将第一组实验状态1～3 下管道平均应力比率的改变值绘制折线图进行线性分析，见图4～5，第二组实验状态4～6 下管道平均应力比率的改变值绘制折线图进行线性分析，见图6～7。

表2 土壤参数

表3 六种管道运行状态

图2 管道走向示意图

图3 管道应力分析示意图

表4 运行状态下管道的平均应力比率对比（第一组）

表5 运行状态下管道的平均应力比率对比（第二组）

图4 常温下由温度升高引起的各管径管道平均应力比率变化情况

图5 常温下由压力增大引起的各管径管道平均应力比率变化情况

图6 高温下由温度升高引起的各管径管道平均应力比率变化情况

图7 高温下由压力增大引起的各管径管道平均应力比率变化情况

通过对常温和高温下各管径管道的应力分析，得出随着温度或压力的升高，管道平均应力比率均有不同程度的提高［10-11］。 随着管径的增加，温度对管道应力的影响逐渐增大，而压力对管道应力的影响逐渐减小。

5 结论

使用应力分析软件CAESAR Ⅱ对不同管径管道进行应力分析，通过改变管道运行的操作条件（温度、压力），对比分析结果，得出输气管道随温度或压力的升高，管道应力有所增大，且随着管径的增加，管道应力受温度的影响逐渐增大， 受压力的影响逐渐减小。在管道工程设计中， 确定管道的壁厚和适用条件，需考虑温度和压力对不同管径管道的影响，特别是对昼夜温差、压差较大的地区，需根据具体情况采取相应的措施，以保障输气管道设计的合理性及其运行安全。

［1］GB 50251-2003，输气管道工程设计规范［S］.

［2］ 唐永进. 压力管道应力分析（第1 版）［M］. 北京：中国石化出版社，2003.11-24.

［3］ 中国石油天然气总公司. 石油地面工程设计手册天然气长输管道工程设计［M］. 东营： 石油大学出版社，1995.153-157.

［4］ ASME B31.8-2010，Gas Transmission and Distribution Piping Systems［S］.

［5］ 黄 坤，吴世娟，卢泓方，等. 沿坡敷设输气管道应力分析［J］. 天然气与石油，2012，30（4）：1-4.

［6］ 吴晓南，鲜 燕，刘源海，等. 清管过程中隧道内输气管道内应力分析［J］. 天然气与石油，2012，30（2）：1-3.

［7］GB 50316-2000，工业金属管道设计规范［S］.

［8］ 王茂堂，何 莹，王 丽，等. 西气东输二线X80 级管线钢的开发和应用［J］. 电焊机，2009，39（5）：6-14.

［9］GB/T 9711.1-1997， 石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1 部分：A 级钢管［S］.

［10］ 王军平.CAESAR Ⅱ软件在油田工艺设计中的应用［J］. 石油规划设计，2002，13（2）：26.

［11］ 方 立. 用CAESAR Ⅱ软件进行管道应力计算的几个问题探讨［J］. 化工设备与管道，2004，41（6）：40-43.