油气输送管道应力分析及应变设计研究

甄林林　徐继岩

摘 要：人类进入21世纪，能源的全球供求矛盾呈现日益突出的趋势。如何保障我国石油安全有效地供给，已经成为我们面临的巨大挑战。该文针对油气输送管道所受的各种应力的分析，展开了基于应变的油气输送管道的设计讨论。若想对抗各种应力对油气输送管道的损害，需要加强油气输送管道强度和韧性。

关键词：油气输送管道 应力应变 强度 韧性

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（a）-0241-01

管道输送是油气运输中最经济、最可靠、最便捷的方式。我国早在公元前900年便利用竹筒输送天然气，后来英国人采用木管或铅管输送天然气。直至19世纪，炼铁技术逐渐在欧洲发展开来，人们才利用铁管技术使天然气能够在较长的距离上安全地输送。长期的生产实践证实，管道工业发展的历史也是一部人们对管道断裂问题不断认识并与之斗争的历史[1]。

1 油气输送管道安全性现状

我国目前的油气输送管道长约35000 km，油田内部的输送管网和城市管网遍布全国各地。大多数的管道已运行多年，有的甚至已运行二三十年，因此管道的安全性令人担忧。1950年，美国有一条管线在试气时发生破裂，这是文献中所查到的最早的管线破裂记录。迄今为止，我国最大一次管线脆性断裂事故，是大庆至铁岭输油管线复线在1974年冬季进行试压时，为防止水结冰而采用气压试压（其实并不符合规范）发生的。至此，随着我国油气管道的大规模建设，管道的温度以及压力不断提高，管壁的厚度和管径不断加大，新兴工艺和新近设备不断出现，油气管道的应力分析由此也变得越来越重要。

2 油气管道的应力分析

2.1 管道应力分析的目的

分析油气输送管道的应力时，应保证在设计条件下具有足够的柔韧性，防止管道因热胀冷缩、断点附加位移、管道支撑造成应力破坏问题。（1）使管道的应力在规范的许用范围内。（2）使管口的荷载符合材料要求标准。（3）解决管道动力学问题。（4）优化管道的布置设计。

2.2 管道应力分析的内容

2.2.1静力分析

（1）压力作用而产生的塑形形变。（2）热胀冷缩、断点附加位移等产生的疲劳坏损。（3）管道支架受力的计算。

2.2.2动力分析

（1）管道共振分析。（2）控制管道振动和应力。（3）由地震引起的地震应力压迫。

2.3 常见的管道形变的形式

2.3.1拉伸形变

输油管道最常发生伸长或缩短的轴向拉伸和压缩形变，这是由方向相反、大小相等、管道中心轴线与作用线重合的一对外力所引起的。

2.3.2剪切形变

输油管道之所以会发生剪切形变，是因为有一对方向相反、大小相等、作用线垂直于管轴且距离很近的力作用于管道，其作用方向相对而动。

2.3.3扭转形变

输油管道还可因为某种因素发生扭转形变，此形变是由大小相等、方向相反、作用面垂直于管轴的一对力所引起的。扭转形变可使管道的两个横截面绕管道的中心轴线发生相对转动。

2.4 应力的分类

由于各种荷载的不同可以引起不同类型的应力，不同类型的应力对损伤破坏管道的影响也不尽相同，因此应将管道所受的应力根据其危险程度进行分类，即危险系数低的应力，其许用值可以宽松一些；危险系数大的应力，要严格控制其许用值。根据应力性质的不同，将应力划分为一次应力和二次应力。

2.4.1一次应力

由于压力、重力与其他外力荷载的作用所产生的应力，其可以平衡外力荷载所需的应力，随外力荷载的增加而增加。一次应力没有自限性，当管道形变达到临界水平，即使此时不再增加外力荷载，管道仍会产生不可控塑形流动，导致输油管道破裂受损。

2.4.2二次应力

由于热胀冷缩、端点位移等作用所产生的应力，其不直接与外力平衡，而是为了满足位移的约束条件或管道发生的自身形变所必须的应力。二次应力与一次应力有所不同，其具有自限性，即小量形变就可以使位移的约束条件或自身形变达到要求，从而使形变不再继续扩大。一般条件下，只要不使管道反复受力，二次应力不会导致输油管道破损。

3 油气管道的强度与韧性

目前，我国油气管道工程的发展趋势是大管径、高压输送和海底管道厚壁化。随着输送压力的增加以及适应寒冷地区管道的使用，对油气输送管道的强度、韧性等的要求也随之升高。因此，除了在生产制备管道方面需要进行工艺的改进、提高管道质量之外，还必须改进传统的设计方法以满足油气管道的输送发展要求。

在其他条件基本相同时，输油的成本随着管径的增大而降低。在油气资源丰富、油源有保障的前提下，建设大口径的管道效益更好。由于输油管道向大口径、高压力的方向发展，因此对管材的要求也日益提高了。为了防止裂断事故，要求管材有高强度，在材质把关上必须要引起重视。目前输油管道多采用按照API标准划分等级的X56、X60、X65号钢。20世纪70年代退出的X70号钢，其规定屈服限最小值为482MPa，具有较好的强度和韧性的综合质量指标，可以在低温条件下使用，在寒冷地区的实用性较强[2]。由于管道埋在地下，埋地管道与跨越管道所受应力的情况比较复杂，要描述其管道应力—应变情况，必须考虑管道所受应力之间的相互关系。

为保证输油管道系统的安全可靠，韧性设计也是管道设计的重要指标，足够强的韧性可以延缓或阻止管道断裂的进程。输油管道韧性设计的基本出发点是安全性和经济性。对于输油用管，韧脆转变温度必须低于试压或运行中所遇到的最低温度，该最低温度应由设计单位提供。对于输气用管，除应保证韧脆转变温度必须低于试压或运行中所遇到的最低温度外，还应保证其冲击能力[3]。

4 结语

油气输送管道的应力分析对于提高油气管道的设计水平和增加管道以及设备运行的安全有着重要的指导意义。想要优化油气输送管道，就涉及到对管径、管材、壁厚、工作压力、温度影响等一系列相应的约束条件。在设计油气输送管道前，要对管道的大量数据进行动态规划、非线性规划，方能整理出最优化的配置，来提高管道的利用能效。

参考文献

[1] 潘家华.潘家华油气储运工程著作选集第2卷[M].北京：石油工业出版社，2001：148.

[2] 杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营：中国石油大学出版社，2006：7.

[3] 王明春.油气输送管道应力分析及应变设计研究[D].成都：西南石油大学，2006.