埋地天然气管道冻胀变形的数值分析与处理

苏文献++邬晓敏

摘要： 随着我国对天然气需求量的逐年增长，输气量大幅提高，管线压力不断提升，导致部分天然气门站或高压调压站的埋地管道出现了较严重的冻胀变形，造成了安全隐患.针对该现象，探究其产生原因.利用有限元软件对该现象进行数值仿真模拟，分析埋地燃气管道受冻胀影响的应力和位移分布情况，并提出一些相关技术性预防措施，如预热、置换土、绝热保温、冷能回收等措施，为已建和新建的天然气管道提供借鉴.

关键词：

埋地管线； 冻胀变形； 应力分析

中图分类号： TU 996文献标志码： A

Numerical Analysis and Treatment of the Frost Heave

Deformation for Buried Gas Pipelines

SU Wenxian， WU Xiaomin

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai

for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

With the increasing demand of natural gas in our country， both the capacity and pressure of pipelines increased significantly， which caused the throttling effect after pressure regulation in the gas gate station.A thick layer of frozen soil formed around the buried pipelines. When the frozen soil melted， the pipelines failed to reset completely. The pipeline uplift phenomenon became more obvious，resulting in the potential safety trouble. The actual engineering case was analyzed to find out the reasons.Numerical simulation study on the process by finite element software was performed to analyze the stress and displacement distribution of a buried gas pipeline caused by frost heave.Some technical treatment measures were put forward to provide references for the design of new gas station.

Keywords：

buried pipeline； frost heave deformation； stress analysis

随着我国经济发展方式的转变和产业结构的调整，以煤为主、石油为辅的能源消费模式对环境造成了严重污染，制约了经济的可持续发展.因此，作为清洁、优质、高效的能源，天然气在能源结构中地位不断提升，其产业在全球也进入了快速发展期，我国燃气管道也逐渐从点状、线状向网状演变[1].但因我国天然气资源分布不均，西气东输工程于2003年10月正式投产进行资源的跨区域调配.近年来，我国天然气消耗总量日益增长，输气量也随之提高，管道全线压力不断提升，由此也产生了一系列工程问题.上海天然气主干网工程某高压站已安全运行了几年，主要负责将上游高压输气管道送来的天然气进行过滤、计量、调压（降压）、加臭、输配至城市天然气管网中.但在2012年11月至2013年3月冬季期间该站部分管道发生了较严重的变形，埋管上方地基出现裂纹，管道脱离支座，产生了明显的上浮跡象，埋下了安全隐患.故该站在2013年3月底被迫停止运行.本文将针对该现象并结合实地考察，探究其原因，提出相关技术处理措施.

3数值模拟结果与分析

3.1温度场分析

因忽略了冻结过程土壤中的水分迁移，且冻结过程长达数月，故可将其近似看作稳态传热过程.通过三维热实体单元Solid90对管土模型进行热分析模拟计算，最终温度场分布结果如图2所示，并对埋地管道内表面至土体底部的温度随深度进行路径化处理，结果如图3所示.

由图2、3可知，由于埋地深度在2 m左右，所以地表温度变化对冻胀的影响很小.管道内气体温度维持在-7℃，通过管壁向周围土壤传递热量，导致埋地管道周围一定范围内的土壤受低温影响，形成了局部低温区域.随着土

壤深度的增加，管内及地表温度对土壤温度的影响逐渐减小.

3.2热力耦合分析

热分析求解结束后，将热与结构单元相互转换，从而进行静力分析.考虑到管道与土壤之间的相互摩擦，埋地管道外表面刚性目标面采用Targe170目标单元，土体为柔性接触面，采用Conta173接触单元，从而进行非线性接触分析.管道各方向及总位移云图如图4所示.对埋地管道直线段进行路径化处理，获得位移随距离的变化，结果如图5所示.图6、7分别为考虑和不考虑冻胀影响时管道的应力分布云图.

由图4、5可知，由于埋地弯管与直管处的冻胀差异性，埋地管道的横向变形主要集中于弯管处，而埋地管道的直管处主要为轴向变形和因冻胀导致向上抬起变形，竖直方向最大位移约为35 mm，而埋地管道的总位移随着管道距离的增大呈下降趋势.在管内压力和冻胀的共同作用下，由于埋地管道弯管处周围土壤的抗拔阻力无法完全固定，导致直管处的位移会向弯管处富集，使得埋地管道弯管处产生较严重的横向位移与弯曲变形，发生显著的应力集中现象，容易使弯管处发生破坏，这对管道损害极大，因予以预防.

3.3应力评定

对上述管道最危险区域进行应力评定.应力

评定路径上的薄膜应力为一次局部薄膜应力，其强度用1.5Sm进行限制，Sm为材料的许用应力强度.同时，路径上还存在弯

曲应力，属于二次应力，它与一次局部薄膜应力强度之和用3Sm限制.这两个应力限制条件须同时满足，才能确保管道不发生失效.

管道最大应力点的评定结果如表3所示.由表中可知，管道最大应力点集中在埋地道管弯管处，一次应力以局部薄膜应力为主，主要由平衡内压所致，因管内压力不大，管壁较厚，故不会发生强度破坏.二次应力为自限性应力，主要

由协调冻胀变形所致，冻胀效果越显著，二次应力就越大.本文中，当燃气管道受内压和冻胀影响发生一定量的变形后，管道仍处于安全状态，不会出现强度问题.但当冻土消融后，管道可能无法完全复位，多次往复，管道水平位置升高，必将对该站的安全、平稳运行埋下隐患.

4技术处理措施

4.1预加热法

预热法是目前国内外管道工程中解决冻胀最行之有效的方法，可以从根本上解决埋地管道冻胀问题.当天然气进站温度低于设定的警戒温度时，

则需对其进行预热后再流经节流阀.预热装置可采用管壳式热交换器，热源可采用燃烧天然气的热水锅炉或蒸汽锅炉.

4.2置换土法

将管道冻胀影响范围内的土壤置换成排水性较好、冻胀性小的卵石或沙土，并在沟槽内增设防水层，防止周围的水渗入其中.此外，在槽底部设有集水沟，将积水引入竖井，再使用抽水设备将水及时排出.对一些压降大的管段，亦可采用涵洞式，将管道与周围土层隔绝，从而避免土壤受管内低温影响产生冻胀.但是目前该方法国内外尚无明确规范可循.

4.3绝热保温措施法

对节流后的埋地低温管道采取绝热保温措施.管道防腐层检漏合格后，可采用聚氨酯泡沫对管道和管汇进行绝热保温，并在保温层外做相应的防水防腐措施.

4.4冷能回收法

使用透平膨胀机代替节流阀，从而对高压天然气进行降压，将中压低温天然气与冷媒乙二醇进行热交换，用以回收富余的天然气降压后产生的冷能，存储在蓄冷装置中，供应给站内办公楼制冷系统，最后将中压常温的天然气输配至城市中压天然气管网.

4.5其他措施

采取间歇输气方式或电伴热方法；采用符合相关标准，材料强度、韧性好的钢管；站内管道按照规定设置分段阀门；针对冻胀制定运行应急预案，通过严密观察、准确测量将数据记录在案，密切监测管道受冻胀的影响程度.

5结论

对公称直径较大的天然气埋地管道进行设计时，应综合考虑管材性能和周围土壤物性，对易发生饱和的土壤类型应予以重点关注.对于经降压分输的埋地管道，在内压和冻胀作用下，即使土壤发生了一定程度的冻胀导致管道发生较大的变形，管道还是安全的.但仍应采取相关针对性的技术预防措施，避免埋地管道受冻胀影响所产生的积累性变形，造成安全隐患和破坏.

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