埋地输油管道“Ω”形自然补偿器的热力耦合分析

2015-10-21李勐

当代化工 2015年7期

李勐

摘要：埋地输油管道在温度等荷载的作用下会产生较大的应力，作为管道必不可少的组成部分，自然补偿器有着分散管道过大应力的作用。基于非线性有限元方法，建立了“Ω”形自然补偿器的模型，用壳单元模拟管道，用非线性土弹簧模拟了管土相互作用。参考实际工程数据，分析了弯头回转角度对管道最大应力的影响，并讨论了不同温差与内压下自然补偿器对管道应力的降低作用。分析得到，使用90°的“Ω”形补偿器较为合理，内压较小时，补偿器能够更好的降低管道的应力水平。研究结果可为长输管道结构设计提供一定的参考。

关键词：“Ω”形；自然补偿器；回转角度；有限元模型

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1538-03

Thermal Coupling Analysis of “Ω” Nature Compensator for Buried Pipelines

LI Meng

（College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract： The stress of the buried oil pipeline will increase under temperature load. As an indispensable part of the pipeline， the nature compensator has the function of dispersing the tress of pipeline. Based on the nonlinear finite element method， using the shell element to simulate the pipe， employing nonlinear soil springs to simulate the constraint effect of soil on the pipeline， the model of “Ω” form natural compensator was established. Referring to the actual engineering data， influence of pipeline internal pressure， temperature and the turning angle of the elbow on the maximal stress and the safety coefficient was analyzed. The results show that 90°turning angle of the elbow is relatively reasonable， can effectively release the excessive stress.

Key words： “Ω” form； Natural compensator； Turning angle； Finite element model

隨着我国石油行业的迅速发展，石油管道的建设规模逐步加大。输油管道在热应力的作用下会发生一定程度的膨胀，从而影响管道的稳定性导致破坏[1]。埋地输油管道自然补偿器作为埋地弯头的一种复杂形式，具有结构简单、稳定、成本低的特点[2]，被广泛地应用于热力输油管道之中，用来减少并释放管道受热膨胀产生的应力和应变。其中“Ω”形自然补偿器相对于传统“U”形自然补偿器有着耐压程度更高，疲劳寿命更长，稳定性更好的特点[3]。

本文基于非线性有限元方法，针对埋地输油管道“Ω”形自然补偿器工作状态下的热应力进行了分析。有限元模型使用壳单元模拟输油管道，用离散非线性土弹簧模拟土壤对管道的约束作用。考虑输送压力、温度荷载、管道与弯头尺寸对补偿器温度应力的影响，对“Ω”形自然补偿器的工程应用有着一定的参考价值。

1 数值模型

1.1 管材模型

使用三线性模型描述管材应力应变关系，本文以X52管材为例进行研究。参考GB50470-2008《油气管道抗震设计规范》[4]，管材弹性模量为 MPa，屈服强度为407 MPa，塑性模量为711 MPa，抗拉强度为455 MPa，抗拉强度对应的极限应变为6.9%，泊松比为0.3，热膨胀系数为。

1.2 管土相互作用模型

利用土弹簧来模拟土壤对管道的约束作用，根据Peng LC[5]提出的土弹簧计算方法，土壤约束被描述为管道轴向和侧向的土弹簧，土弹簧存在弹塑性本构，其主要参数为轴向与侧向的极限抗力及轴向与侧向的屈服位移。本文中所有案例使用外径508 mm管道，周围土壤为砂土，管道中心线埋深1.5 m，土壤内摩擦角30°。可以计算得到土弹簧参数如表1所示。

表1 管土作用参数取值

Table 1 Parameters of pipe soil interaction

参数类型参数参数取值

土壤参数轴向土弹簧极限抗力/（kN·m-1） 30

轴向土弹簧屈服位移/m 0.003

侧向土弹簧极限抗力/（kN·m-1） 400

侧向土弹簧屈服位移/m 0.02

1.3 有限元建模

本文以“Ω”形自然补偿器为研究对象，不考虑固支墩的影响[6]。“Ω”形自然补偿器包括两侧的直管段和中间的“U”形弯头段两部分。根据载荷和几何模型的对称性，可以取管道的1/2模型利用ANSYS软件进行有限元建模[7]，管道使用四节点壳单元SHELL181模拟，横向与轴向土弹簧分别使用非线性单元COMBIN39模拟。管道环向共划分24个单元，左侧直管段管道轴向每2 m划分一个单元，中间“U”形弯头段管道轴向每0.5 m划分一个单元，弯管段管道轴向15个单元。建模时，先生成管道节点和管道模型，再通过复制管道节点生成土壤节点，最后利用COMBIN39单元将管道节点和土壤节点连接模拟管土相互作用[8]。在添加边界条件时，对所有土壤节点全约束，对管道只约束管道两端的轴向位移。约束添加后，对管道施加荷载分析其应力响应，分析结果示意图如图1。

图1 埋地管道自然补偿器应力分布云图

Fig.1 Stress distribution of buried pipeline nature compensator

2 结果分析与讨论

结合胜利油田某管线自然补偿器的技术参数，选取不同的工况，分析不同管道内压、内外温差以及补偿器弯头回转角度对自然补偿器最大Mises应力的影响。

2.1 无补偿器管道最大Mises应力

在6 MPa的内压下，管道基本工况取管道直径为508 mm、壁厚为6.2 mm时，管道的环向应力为：

（1）

假设管道不可伸长，在60 ℃的温差下，其轴向应力为：

（2）

忽略管道的径向应力，其最大Mises应力为[9]：

（3）

此时直管道受到较大的应力，可能导致结构失稳[10]。為了减小管道所受应力、提高安全性，设置自然补偿器是很有效的一种措施。

2.2 有补偿器管道最大Mises应力

2.2.1 管道内外温差的影响

图2给出了自然补偿器最大Mises应力随管道内外温差的变化关系。其中管道基本工况不变，中间直管段长度L1与右侧直管段长度L2均为4 m，弯头回转角度为90°，管道内压分别取2、4、6、8 MPa，管道内外温差从30 ℃到70 ℃每隔10 ℃取值时，不同管道内外温差对自然补偿器最大Mises应力的影响。

图2 不同p下管道最大Mises应力与ΔT的关系

Fig.2 Relationship between the maximal Mises stress and ΔT under different p

对图2进行分析可以得到，随着内外温差的增大，其最大Mises应力也逐步增大，而且管道内压也对最大Mises应力有较大的影响。因此，在较高内压和温度下工作时，自然补偿器自身最大应力相对较高，为两边直管段分担了一部分应力，但是无法说明管道系统是更安全的。

这里引入一个变量，管道安全系数δ：

（4）

式中： —有补偿器管道最大Mises应力；

—无补偿器管道最大Mises应力。

管道安全系数越小，代表自然补偿器分散的应力越多，含有自然补偿器的管道系统就越安全。图5给出了在不同内压下，管道的安全系数与内外温差的关系，这里使用的其他工况与之前一组分析一致。

图3 不同p下δ与ΔT的关系

Fig.3 Relationship between δ and ΔT under different p

从图中可以得到，当管道内压为2 MPa时，管道安全系数随着温差的增加而升高；当管道处于4和6 MPa两个工况下时，随着内外温差的增加，管道安全系数先降低后逐渐升高；管道内压为8 MPa时，安全系数随着温差的增加而降低，而且在四种内压下的管道安全系数曲线有逐渐重合的趋势。总体上，管道安全系数都维持在一个相对稳定的范围（0.8～0.9）内。说明在正常的工况下，自然补偿器都能较好地释放来自两边管道较大的温度应力，使管道在相对安全的状态下正常运行。

2.2.2 弯头回转角度的影响

图4给出了自然补偿器最大Mises应力随弯头回转角度的变化关系。其中中间直管段长度L1与右侧直管段长度L2均为4 m，管道内外温差取60 ℃，内压取6 MPa；回转角度以5°为间隔，在90°到150°之间取值时，不同弯头回转角度对自然补偿器最大Mises应力的影响。

图4 管道最大Mises应力与θ的关系

Fig.4 Relationship between the maximal Mises stress and θ

根据图4，最大Mises应力随着回转角度的增大先减小后增加，最大增幅仅有大约16 MPa。由此可见，弯头回转角度对管道的最大Mises应力影响较小。为了降低制造难度、同时保障管道的安全性，输油管道自然补偿器的弯头回转角度取90°是比较科学合理的。

3 结论

本文基于非线性有限元方法建立了“Ω”形自然补偿器的模型，用壳单元模拟管道，用非线性土弹簧模拟了管土相互作用，分析了温度、压力和补偿器弯头回转角度对管道最大应力和管道安全系数的影响，得到了以下结论：

对于不设自然补偿器的管道，随着内压、温差的增大，其最大应力也显著增大，容易导致管道结构失稳。对于设有自然补偿器的管道，其安全系数δ随着内压、温差的增大没有显著的变化。表明管道自然补偿器能够很好地释放过大应力，保障埋地输油管道能够安全运行。

管道的最大应力随着自然补偿器弯头回转角度的增加先减小后增加，有着小幅度的变化。表明回转角度的影响较小，同时为了降低制造难度，自然补偿器弯头回转角度取90°是比较科学合理的。

参考文献：

[1]张好民，刘学杰，孟庆荣. 双层管U形补偿器的热应力分析[J]. 油气田地面工程， 2007， 26（12）：5-6.

[2]彭荣杰. 自然补偿器的设计和应用[J]. 广东化工， 2009，36（7）：256-257.