高温油砂输送双层管屈曲失效动态模拟方法

周晓红 贾鲁生 李鹏程 黄 俊

中海油研究总院有限责任公司, 北京 100028

0 前言

高温载荷作用下,埋地管道将受到较大的轴向压缩力作用,在沼泽地等土壤抵抗力较低的区域,若管道存在由沟底不平整、冻胀等引起的初始不直度,则高温管道极易发生总体屈曲失稳。

巴西石油公司一条铺设于沼泽地带和Guanabara海湾的高温稠油管道(外径0.406 m)投入使用后不久,因上覆土被冲刷,管道出现侧向屈曲并破裂;北海某单层保温海底埋设管道(外径0.219 m),由于此前修复过程遗留下垂向的初始变形,在后续高温作业条件下,管道出现幅度约2.6 m的隆起屈曲[1]。

对于高温埋地输油管道,通过施加预张力可降低管道投产时因运行期与安装期温差引起的热应力,减小管道正常运行期间的轴向压缩力,从而提高管道的总体稳定性[2]。因此需对预应力双层埋地管道的受力特性和隆起屈曲失效分析方法进行研究,以避免设计考虑不周,而造成管道实施时预张力不足,导致管道屈曲失稳甚至泄漏[3]。

Hobbs R E[4]于1984年推导并给出了高温单层管道隆起屈曲和侧向屈曲的解析公式,用于计算管道的屈曲波长、临界轴向力以及屈曲位移幅值,其理论在工业界得到广泛应用。1990年Palmer等人基于有限元方法开展了不同初始缺陷情况下的管道隆起屈曲应力应变计算,并给出关于最大下压载荷和初始缺陷长度的无量纲半经验公式。与单层海底管道相比,双层海底管道存在环空且内外管道设置间隔块并通过锚固件连接,同时内外管间存在摩擦作用,其隆起屈曲响应的模拟更复杂[5]。2008年赵天奉提出了新的刚性连接双层管道系统温度应力计算解析模型,该模型考虑了沿管道系统轴向的温度梯度和压力梯度[1]。2011年Goplen等人给出了双层管整体屈曲的结构响应分析和若干分析准则[6]。由于双层管内外管相互作用、管道与土壤相互作用的复杂性,理论分析方法难以准确评估双层管道隆起屈曲响应特性。本文对高温油砂埋地双层预应力管道泄漏时管内流体瞬态变化过程、管道受力特性和隆起屈曲失效的动态模拟方法进行研究,并应用OLGA软件及ABAQUS软件开展流体泄漏模拟、管道-土壤耦合分析以及屈曲失效过程的动态模拟,相关方法将有助于准确模拟埋地双层管道隆起屈曲,提升管道运行期的安全性,并可用于管道泄漏事故原因评估。

1 双层管埋地管道预热及受力分析

双层管一般由内层输运管和外层保护管构成,两层管的环形空间中填充保温层以降低热量损失,内外管在端部通过锚固件连接,形成封闭空间[7]。高温输送过程中,内管将承受高温介质带来的温度载荷,而外管温度则接近或略高于埋管处环境温度。过高的内管温度载荷,将可能造成内管管体应力超出许用标准,同时端部锚固件也将承受较大的剪切力作用。此外,过高的温度载荷也将带来管道总体屈曲风险。通过在安装期对管道进行预热来降低运行期与安装期的温度差,可有效降低运行期间由温度差引起的管道轴向压缩力[8-9]。

1.1 管中管预热过程

管道预热可采用电加热或空气加热方式,两种预热方式均有成功应用先例[10]。在选择预热温度时,应综合考虑管道设计壁厚、管道应力接受准则和引发管道总体屈曲的管道临界有效张力等因素[11-13]。

预热过程中管道受热膨胀,待达到预定伸长量后,焊接锚固件将内层和外层管锁定。若管道在预热温度下埋设并被土壤或锚固墩等完全限制,则该预热温度即可视为管道运行前的初始温度[14]。若施工方式不当,在管道预热且焊接锚固件后,未在预热温度下将管道埋设固定,且未持续对管道进行维温,则内管将降温回缩,由于锚固件的作用,外管将随内管一同回缩[15]。

如图1-a)所示,预热后对管道位移进行限制,在撤去预热设备后,内管将受拉力作用,在环境温度不变的条件下,外管受力为零。在运行阶段,内管和外管温度升高,当运行温度超过预热温度时,内管将受压缩力作用。

a)预热后限制管端位移

b)预热后不限制管端位移

若预热后发生管道回缩,则管道预应力效果将降低,同时即便在环境温度下,外管也将受到一定的压缩力作用。在运行阶段,外管受压将更加严重,见图1-b)。与图1-a)施工条件相比,此施工条件下管道整体轴向压缩力将显著增大,不利于管道应力及总体稳定性。

1.2 管中管埋地管道受力分析

在预热阶段,假定内外管通过锚固件锁定时的温度分别为TInner-pre和TOuter-pre,则管道伸长量计算为[16-17]:

ΔLInner-pre=L×α×(TInner-pre-Tambient)

(1)

ΔLOuter-pre=L×α×(TOuter-pre-Tambient)

(2)

假定管道埋设固定时,内外管温度分别为TInner-bury和TOuter-bury,则管道回缩量为:

ΔLbury=

(3)

此时,内管和外管轴向力分别表述为:

FInner-pre=((ΔLInner-pre-ΔLbury)×E×AInner)/L

(4)

FOuter-pre=((ΔLOuter-pre-ΔLbury)×E×AOuter)/L

(5)

在正常操作阶段,假定内外管设计温度分别为TInner-op和TOuter-op,则内外管轴向力为:

FInner-op=FInner-pre-((ΔLInner-op-ΔLbury)

×E×AInner)/L

(6)

FOuter-op=FOuter-pre-((ΔLOuter-op-ΔLbury)

×E×AOuter)/L

(7)

受内压作用,内管有效张力表述为:

FInner-eff=FInner-op-P×Ai×(1-2ν)

(8)

式中:E为弹性模量,Pa;L为管长,m;α为热膨胀系数,1/℃;AInner和AOuter分别为内外管管壁横截面积,m2;Ai为内管管腔截面面积,m2;P为内管设计压力,Pa;ν为泊松比。

1.3 埋地管道-土壤相互作用分析

埋地管道将受到土壤轴向、侧向和垂向的约束作用,土壤抵抗力将影响埋地管道在温度和压力等操作载荷下的结构响应,同时管道运动将对土壤的抵抗力特性产生影响。相对准确地模拟管道与覆土之间的相互作用,是管道热膨胀分析和总体屈曲分析中的关键因素。确定管土相互作用关系时,可参考挪威船级社DNV-RP-F110规范及美国ALA或PCRI关于埋地管道的相关规范[16-19]。

以上规范所给出的管土相互作用关系对应管道的单一加载阶段,可应用于模拟管道初始隆起屈曲过程。管道存在加载、卸载、重新加载等循环载荷时,当管道隆起后,虽然周围土壤可能会填充管道下方空隙,但该填充土的抵抗力较弱,不足以完全抵抗管道冷却后的向下运动[19-20]。因此,在管道隆起屈曲的动态模拟过程中,可保守假定卸载阶段土壤承载力为零。该循环载荷情况下,管土相互作用关系曲线见图2。

图2 循环载荷情况下管土相互作用模型图

1.4 管道隆起屈曲失效模拟

开展预应力双层管道隆起屈曲失效分析时,需考虑管道实际预热过程、管道初始缺陷形状、环空间隙及环空间隔块、锚固件以及材料硬化模型等。

1.4.1 管道初始缺陷模拟

管道初始缺陷形状可采用以下公式计算:

ωf=ω0(x/Lo)3(4-3x/Lo)

(9)

其中:

(10)

式中:ω0为初始缺陷高度,m;Wsub为管道单位长度重量,N/m;EI为双层管道等效弯曲刚度,N·m2;x为沿轴方向水平距离，m；Lo为初始缺陷长度,m。

1.4.2 双层管道有限元结构模型

应用通用有限元软件ABAQUS对双层管道隆起屈曲失效过程开展动态模拟分析。

1.4.2.1 模型单元

管道建模采用PIPE 31 H单元;内外管间的约束和相对滑动以及环空间隔块对内外管的约束采用ITT31单元模拟;锚固件采用GAPSPHER单元模拟,管道和土壤的相互作用采用PSI单元模拟。建立的双层管模型单元见图3。

图3 双层管模型单元图

1.4.2.2 边界条件

对于运行阶段的长输管道,由于土壤摩擦力对管道的约束作用,虚拟锚固点以内的管道被完全约束,对该区域管道开展隆起屈曲分析时,边界条件视为两端固定。

1.4.2.3 分析步骤及载荷施加过程

1)预热分析步骤:由于预热过程在沟边进行,且预热过程管道下方放置辊轮,因此该分析步骤不考虑土壤对管道的摩擦力作用,采用Model Change命令删除管土作用单元,并设置管道边界条件为“一端固定,一端自由”。施加初始环境温度和管道预热温度,管道达到预定伸长量。

2)锚固分析步骤:管道预热膨胀后,将管道自由端固定。

3)施加初始缺陷分析步骤:计算管道初始缺陷参数,以位移边界形式施加于管道模型;采用Model Change命令重新添加管土作用单元,模拟管道覆土。

4)运行阶段分析步骤:施加管道重力、压力。

5)隆起屈曲分析步骤:施加管道设计温度,模拟管道隆起屈曲过程,并得出管道屈曲的临界温度。

6)重启动分析步骤:应用“重启动”命令,施加后续阶段的温度、压力,模拟已隆起管道的卸载、重新加载过程,得出最终阶段管道隆起形态。

2 管道高温隆起屈曲过程动态分析

以某高温预应力油砂输送管道为例,对管道高温隆起屈曲过程的动态过程和失效原因进行研究。

2.1 基础数据

该油砂管道为双层保温管结构形式,内管内径406.4 mm,内壁壁厚11.9 mm；外管外径508 mm,外管壁厚8.74 mm。内外管均采用APL 5 L X 56钢材,管材屈服强度386 MPa。

内管设计压力9.02 MPa,设计温度150 ℃;外管设计温度35 ℃。外管外部设置光纤监测系统,可对外管温度进行监控。

管道处于沼泽地区域,覆土主要为抵抗力较弱的腐殖土,在夏季管道将受到浮力影响。管道在冬季进行施工安装,施工期环境温度-20 ℃。采用电加热方式对内管进行预热,预热温度70 ℃,内管受热伸长后通过锚固件与外管锁定。管道设计为在预热温度下埋设固定,但在实际施工阶段,管道埋设时已降至环境温度。

管道投产一段时间后出现泄漏现象,同时管道拱起并露出地表。泄漏发生前的几次清管通球作业,曾出现不同程度的清管球破损和卡球现象。此外,泄漏被发现前管道曾关停并重启,不同运行阶段管道温度变化和内压值见表1。

表1 不同运行阶段管道温度和内压值表

不同运行阶段内管温度变化外管温度变化管道内压/MPa投产至管道关停前135 ℃由外界土壤环境温度0 ℃(冬季)升至35 ℃(夏季)1.5管道关停后由135 ℃降至60 ℃由35 ℃降至25 ℃0关停25 d后,管道重启由60 ℃升至135 ℃由25 ℃升至135 ℃(高温介质进入内外管环空)1.5重启15 d后,泄漏被发现,再次关停管道由135 ℃降至60 ℃由135 ℃降至35 ℃0

2.2 管道有效张力计算

应用式(1)～(8)，计算不同施工条件下预应力双层管在正常操作阶段的有效张力,结果见表2。由表2可见,如未在预热温度下对管道进行埋设固定,管道预应力效果将显著下降,在正常操作阶段,降温后埋设固定的管道所受压缩力将比预热温度下埋设固定的管道高3 185 kN,与不采用预应力施工方式时的管道有效张力值相同。

表2 不同施工条件下管道有效张力对比表

施工状况正常操作阶段有效张力/kN内管外管合力预热温度下埋设固定-3 269-1 481-4 750降温后埋设固定-4 920-3 015-7 935若不采用预应力方式-6 454-1 481-7 935

2.3 管道总体隆起屈曲模拟

对油砂管道正常操作、关停至重启、重启后直至泄漏被发现过程的隆起屈曲过程进行动态过程模拟。管道初始形态及最终隆起屈曲形态见图4。

图4 管道初始形态及隆起屈曲后形态图

图5给出了该双层管不同运行阶段的管道隆起形态。由图5可见,经对管道隆起过程进行动态化模拟,事故后测量阶段的管道隆起模拟形态与实际测量数据基本吻合。

管道隆起将引起塑性应变,同时管道的关停和重启操作会引起管道有效张力和塑性应变的反复变化,将助长管道裂纹的形成和扩大,管道最终出现破裂泄漏。不同运行阶段管道温度、隆起高度以及内外管有效张力变化曲线见图6～8。

图5 不同运行阶段的管道隆起形态图

图6 外管温度及管道隆起高度变化历程图

图7 内管有效张力变化历程图

图8 外管有效张力变化历程图

根据有限元分析结果可知,投产后外管温度升至21 ℃时,管道即出现“跳跃”屈曲。因此管道泄漏事故发生前出现的清管球破损以及卡球应与此相关。

此外,分析得知管道发生隆起屈曲的临界有效张力约-5 929 kN,此时内管所受轴向压缩力3 523 kN,外管所受轴向压缩力2 406 kN。若管道在预热温度下埋设固定,正常运行期间内外管有效张力之和为 -4 750 kN(内管所受轴向压缩力 3 269 kN,外管所受轴向压缩力 1 481 kN),处于临界值之下,管道不会发生隆起屈曲。

3 管道隆起屈曲缓解措施

3.1 工艺设计及泄漏控制措施

高温埋地管道在设计考虑足够的预应力等措施及施工符合设计要求时,发生屈曲失效的最大风险是内管发生泄漏时没有及时关断入口高温源而终止管道运行状态,因此工艺动态模拟内管泄漏时内外管环空温度、压力随时间变化以及关断时管道内管压力响应过程是泄漏控制可靠性的基础。

以泄漏当量孔径100 mm为例研究动态泄漏过程压力、温度变化。

压力管道泄漏控制措施之一是工艺设计中的低低压关断保护,即当内管发生泄漏时负压力波以1 000 m/s以上的速度向管道入口方向传递,入口压力会快速下降到设定的低低压关断压力,终止管道运行,切断输入源阻止泄漏。图9～10为泄漏发生并在10 s内关断管道后泄漏点处内外管压力、外管温度随时间的变化趋势。图11显示,泄漏发生约5 s时(假设泄漏点位于管长中部)管道入口压力已下降到低于低低压关断压力,中控DCS系统将发出停泵和关断入口SDV阀的指令,管道运行将被终止。

由图9～11的动态模拟结果显示,管道及时关断后,即使是大孔径泄漏工况,环空压力也只是从常压上升到140 kPa的状态,环空温度在泄漏点处会达到内管输送温度140 ℃,但关断后温度会随时间快速下降。根据泄漏过程动态参数进行泄漏管段屈曲失效模拟分析,泄漏发生后及时关断管道可维持局部和整体稳定性。

图9 内管100 mm孔泄漏时环空压力变化图

图10 内管100 mm孔泄漏时环空温度变化图

图11 内管100 mm孔泄漏时管道起点压力下降趋势图

热油管道除采取设计和施工安全措施外,泄漏监测是避免屈曲失效的重要手段,设置进出口质量流量平衡系统、外管温度光纤监测系统等多层保护十分必要。

3.2 结构设计及施工措施

为避免高温管道隆起屈曲,管道结构设计和施工过程中可采取以下缓解措施:

1)采用高强度钢材,降低管道壁厚,从而降低管道热膨胀力。

2)施工期间对管道进行预热,并在合适的预热温度下对管道进行埋设固定。

3)设置螺旋地锚,抵抗管道上拱力。

4)管沟回填时,采用抵抗力较强的土壤。

此外,施工期应注重管沟的平整度,尽量不产生管道的初始形状缺陷。

4 结论

高温埋地管道一旦发生隆起屈曲失效,将可能造成油气泄漏和环境污染。本文对预应力埋地管中管高温管道泄漏动态模拟、隆起屈曲失效过程进行初步的探索研究,并以某高温油砂管道为例,应用有限元软件ABAQUS和工艺分析软件OLGA对事故过程进行了模拟。施加管道预张力、低低压关断保护、进出口质量流量平衡系统、外管温度光纤监测系统是缓解和避免管道高温屈曲的有效手段,施工时也需加强对预热过程和埋设过程的质量控制。