中缅输气管道澜沧江段地震工况的应力分析

贺　三　张伊恒　梁武东

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川　成都　610500；2.中国石油长庆油田工程技术管理部，陕西　西安　710021）



中缅输气管道澜沧江段地震工况的应力分析

贺三1张伊恒1梁武东2

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500；2.中国石油长庆油田工程技术管理部，陕西西安710021）

摘要中缅天然气输气管道澜沧江跨越工程位于怒江澜沧江地震带，为确保输气管道运行安全，减少地震威胁和避免次生灾害的发生，建立了澜沧江跨越段及两侧高陡边坡整体应力分析模型，以分析软件CAESAR II作为模拟手段，以ASCE 7-10规范作为地震载荷计算依据，采取不同地震载荷组合的形式对澜沧江段输气管道进行应力影响分析。分析结果表明：横向地震载荷对管道的应力影响最大；跨越段起终点及两侧管道固定墩为应力集中点，其中江顶寺侧固定墩处应力值最大；管道所受应力处于许用应力范围内，满足国内管道设计规范要求，但校核应力若采用管材许用应力的90%则超出了规范要求，存在运营安全风险。

关键词中缅输气管道澜沧江地震带应力CAESAR II软件

修订回稿日期：2016－02－13

0　引言

中缅输气管道是继中亚油气管道、中俄原油管道、海上通道之后，我国第四大能源进口通道。中缅输气管道西起缅甸的皎漂港，从云南瑞丽进入中国，终点到达广西贵港，全长2 520 km，缅甸境内段长793 km，中国国内段1 727 km，年输气量达到120 ×108m3。澜沧江跨越段输气管道位于云南省保山市和大理自治州交界处，跨越南岸连接岩鹰山隧道出口，北岸连接江顶寺隧道入口。由于该段工程跨越较多地貌微单元，高陡边坡高差大，局部坡度较陡，坡面不完整，且位于怒江澜沧江地震带，随着时间的增加，管道转角点或截面等应力集中处易产生失效破坏。因此有必要在地震工况下对该管道段进行应力分析，确定应力集中的位置和大小，为管道的安全运营管理提供保障［1］。

1　管道应力及校核

载荷是管道产生应力的主要原因之一，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。其中一次应力具有无自限性，易引起塑性破坏；二次应力具有自限性和局部性，易引起疲劳破坏。由于载荷、结构形状的局部突变而引起局部应力集中的最高应力值称为操作应力，它是导致脆性断裂和疲劳破坏的直接原因［2］。

为保证管件的强度安全，通常将许用应力［σ］作为衡量构件是否满足强度要求的依据，关系式为：

管道由于热胀冷缩、端点附加位移或受到约束等因素，会产生相应的轴力、剪力、弯矩和扭矩，一般应力计算后需要进行一次应力、二次应力和操作应力的校核。管道一次应力不得超过设计温度下管材的许用应力；管道二次应力不得超过许用应力范围；操作应力即σL与σE之和σOPE，应满足：

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；σS为管道材料标准中规定的最小屈服强度，MPa；σL为由纵向应力与重力、风荷载等外载荷在管道中产生的纵向弯曲应力之和，MPa；σE为二次应力，MPa；σOPE为操作应力，MPa。

2　管道模型的建立

采用应力分析软件CAESARII进行应力分析［3］，CAESAR II对管道应力的分类、校核以及执行标准都与国内管道设计规范相类似，不同的是管道校核许用应力值采用的是管材许用应力的90%。选取中缅输气管道澜沧江段管线为研究对象，管道具体参数见表1。

表1　澜沧江段输气管道参数表

模型包括岩鹰山侧（南侧）高陡边坡段管道（A段）、跨越段管道（B段）和江顶寺侧（北侧）高陡边坡管道（C段）。按照软件建模的节点，分析对象包括3个部分：节点20～320（A段）、节点320～620（B段）、节点620～770（C段）。A段管道模型长约190 m，节点10～20（10 m）为边界段管道，用以截断外界管道对模型管道的影响，在节点10处设置固定支墩（ANC），高陡边坡段最大倾斜角度为60°35′，终点（管道出土点）为320节点；B段管道模型长约340 m，起点为320节点，终点为620节点，跨越长度为280 m；C段管道模型长度约150 m，起点（管道出土点）为620节点，节点770～780（10 m）为边界段管道，用以截断外界管道对模型管道的影响，故此段管道实际长度约140 m，在节点780处设置固定支墩（ANC），高陡边坡段最大倾斜角度为74°25′。建立的管道模型如图1所示，图中数字为节点号。

图1　天然气管道模型图

3　地震工况下的应力分析

3.1地震作用计算

静态地震载荷值需要通过计算获得。根据ASCE 7-10的规定，水平地震加速度为［4］：

且有：

纵向地震加速度为：

式中，SDS为5%阻尼系统的短周期设计谱反应加速度，m／s2；αmax为GB 50011中规定的水平地震影响系数最大值，m／s2；ap为组件放大系数，管道取2.5；Ip为组件重要系数，管道取1.5；Rp为组件的响应修正系数，管道取12；z为节点距离结构基点的高度，m，对于低于基点的组件取值为0；h为结构顶部距基底的平均高度，m。

根据ASCE 7-10规定，最终结果需要在式（3）和式（5）基础上分别乘以0.67，得出：

该地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20 g（g＝9.81 m／s2）。根据GB50470-2008油气输送管道线路工程抗震技术规范规定［5］，大型跨越应按50年大于2%概率的地震动参数进行抗震设计［6］。根据地震评价部门给出的地震参数，澜沧江跨越位置50年大于2%概率地震峰值加速度为0.28 g。

根据GB50011可查得保山的αmax为0.90 g，由公式（3）～（6）可以算出该段管道所受的地震作用，横向地震加速度为0.29 g，纵向地震加速度为0.1289 g，轴向地震加速度为0.29 g。

3.2管道应力分析

该管道最小屈服强度为551 MPa，选择管道运行工况作为分析对象。根据管道的不同加载条件，将不同加载条件进行以下组合，如表2所示。

表2　管道运行工况组合表

从表2可知，L1工况加载了自重（W）、温度（T）和管输压力（P），L2、L3、L4分别在L1工况上加载了横向、纵向和轴向地震载荷。通过对比模拟分析，4种工况对应的分析结果如图2所示。

由图2可知，对比工况L1，在加载纵向或轴向地震载荷后，整段天然气管道的应力分布没有明显变化；而在加载横向地震载荷后，岩鹰山侧固定墩处（节点320）、跨越段起点管夹处（节点340）、跨越段终点管夹处（节点600）以及江顶寺侧固定墩处（节点620）应力变化较大，且在节点620处的应力值达到496.92 MPa，达到许用应力的90.19%，其原因是：当加载地震载荷后，在两个固定盖板节点处，盖板内为土壤，盖板外架空，由于两端载荷差异大，易出现应力集中；在两个管夹节点处，节点处于弯管附近，且所受约束条件不同，也容易出现应力集中；而且管道纵向和轴向的约束很大，管道横向约束作用较小，则横向地震载荷对应力的影响最大。

从表2可知，L5工况加载了自重（W）和管输压力（P），L6、L7、L8分别在L5工况上加载了横向、纵向和轴向地震偶然载荷。通过对比模拟分析，其4种工况对应的分析结果如图3所示。

由图3可知，对比工况L1，在工况L5（无温度载荷）情况时，整个管道的应力都有明显的减小；当加载纵向或轴向地震偶然载荷后，整段天然气管道的应力分布没有明显变化；而加载横向地震偶然载荷后，岩鹰山侧固定墩处（节点320）、跨越段起点管夹处（节点340）、跨越段终点管夹处（节点600）以及江顶寺侧固定墩处（节点620）应力变化较大，且在节点620处的应力值达到517.52 MPa，达到许用应力值的93.92%。在无温度载荷时，其原因与图2类似。

图2　L1～L4工况对应的应力分布图

图3　L5～L8工况对应的应力分布图

从表2可知，L5工况加载了自重（W）和管输压力（P），L9工况是在L5工况上同时加载了横向、纵向和轴向地震偶然载荷。通过对比模拟分析，其两种工况对应的分析结果如图4所示。

图4　L5与L9工况对应的应力分布图

由图4可知，对比工况L5（无温度载荷），L9（无温度载荷）在同时加载横向、纵向以及轴向偶然地震载荷后，岩鹰山侧固定墩处（节点320）、跨越段起点管夹处（节点340）、跨越段终点管夹处（节点600）以及江顶寺侧固定墩处（节点620）应力变化较大，且在节点620处的应力值为517.76 MPa，达到许用应力的93.97%，与只加载地震横向载荷时的应力分析结果差异较小。

综上所述，通过对中缅输气管道澜沧江段在地震作用下不同载荷时的应力分析，可知无论有无温度载荷时，在加载纵向或轴向地震载荷后，整段天然气管道的应力分布没有明显变化；而在加载横向地震载荷后，岩鹰山侧管道出土点（节点320）、跨越段起点管夹处（节点340）、跨越段终点管夹处（节点600）以及江顶寺侧管道出土点（节点620）应力变化较大，且都在节点620处达到整段管道应力的最大值且接近管道的许用应力值，说明横向地震载荷对管道的应力影响最大。

4　结束语

在地震工况下，以应力分析软件CAESAR II作为模拟手段，以ASCE 7-10规范作为地震载荷计算依据，采取不同载荷组合的形式对中缅管道澜沧江段输气管道进行应力分析，通过应力分析结果可以清晰定位管道集中应力的分布位置，即跨越段起终点以及两侧管道出土点；得出横向地震载荷对管道的应力影响最大的结论；江顶寺侧固定墩处应力值最大，达到许用应力的93.97%，管道所受应力处于许用应力的范围内，均满足国内管道设计规范要求；但是校核应力若采用管材许用应力的90%计算，则超出了规范要求，存在运营安全风险。

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（编辑：蒋龙）

作者简介：贺三（1975－），博士，副教授，从事油气集输、流动保障技术相关研究与教学工作。E-mail:hesan@126.com。

doi：10.3969／j.issn.2095-1132.2016.01.015

文献标识码：B

文章编号：2095-1132（2016）01-0050-04