沿海地区非均匀沉降下阀室管道安全运行研究

□ 冯 毅 □ 邹志豪 □ 马小明

华南理工大学 机械与汽车工程学院 广州 510640

1 研究背景

天然气运输是天然气工业的一项重要活动,管道运输是输送大量天然气最经济的方式。据统计,每185起涉及天然气的事故中,管道事故占127起[1]。我国沿海区域地下受大气降水、地下水补给、径流、蒸发、挖排影响,加之阀室的建设,改变了降雨对地下水的补给条件,地基产生了次生沉降[2]。埋地管道在地基沉降作用下应力状态产生变化,是埋地管道与管周土壤的相互作用结果[3]。沉降应力是影响阀室埋地管道安全的一个重要因素,因此进行阀室管道沉降防护技术研究,可以有效保证管道的安全运行。

Elachachi等[4]基于地质统计学对土壤空间变异性的描述,建立管土相互作用模型,研究岩层空间变异性和不均匀性对埋地管道破坏的影响。Limura[5]针对裸露、埋地、交汇三段管道分别建立模型,使变形协调在管道交汇位置,结果与实际管道应力测量值较为吻合,证明了模型的有效性。朱庆杰等[6]通过构建土地-断层-管道破坏的有限元模型,分析埋地管道破坏的主要原因,依据计算结果,得出埋管深度与管道破坏的变化规律。张一楠等[7]建立跨越段管道与埋土间相互作用的模型,使用该模型探讨跨越结构角度、土体沉降与管道应力之间的关系。Kouretzis等[8]对土壤沉降变形的特征进行理论分析,结合土壤沉降变形及变形后土壤地基隆起的特点,构建埋地管道力学分析模型。

以上学者对埋地管道的不均匀沉降行为进行了大量研究,但所建立的模型并不完全适用于阀室管道,不能作为管道防护的基础。为保证阀室管道的安全运行,笔者应用ANSYS软件建立珠海高栏港某天然气管线阀室受非均匀沉降作用有限元分析模型,通过计算建立沉降量与最大等效应力之间的映射关系,预测管道发生失效破坏时的极限沉降量,以此作为管道实时监测的理论依据。在研究中还分析了管道内压、管道内径、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比等因素对管道应力状态的影响,研究结果可以为沿海地区天然气管道受非均匀沉降作用时的安全运行提供参考。

2 基于应力的失效判断准则

管道失效指管道受外界载荷作用而产生的应力或应变超过自身许用极限。通过对管道承受载荷和力学特性进行分析,可以确定管道发生失效时的临界应力和应变[9-10]。目前,通常使用基于应力的失效判据作为管道失效判断准则,即在正常操作条件下,管道产生的最大应力不超过屈服应力。

管道的强度校核一般同时满足两个条件。

(1) 环向应力条件。环向应力条件指管道在正常运行条件下产生的环向应力小于管道的许用应力,即:

σh<[σ]=φσσs

(1)

式中:σh为管道环向应力;[σ]为管道许用应力;φσ为设计因子;σs为管道屈服强度。

(2) 组合应力条件。埋地管道的受力十分复杂,常处于三向应力状态。根据畸变能密度准则,工程中常采用等效应力屈服条件进行强度校核,表达式为:

<[σ]

(2)

式中:σVonMises为等效应力;σ1、σ2、σ3依次为第一、第二、第三主应力。

按照国标GB 50251—2015《输油管道工程设计规范》[11],使用组合应力进行失效判断时,组合应力条件中设计因子的值取为0.8。笔者研究阀室管道材料为L450M天然气输送专用材料,材料的最低屈服强度为450 MPa,因此管道的许用应力[σ]为360 MPa。

3 数值模拟

3.1 材料特性

进行管道、土体有限元分析时,埋土通常选择使用Drucker-Prager材料。该材料采用黏聚力、膨胀角、内摩擦角进行性能表征。现场阀室管道为钢质压力管道,其拉伸过程与低碳钢类似,整个过程可以分为弹性、屈服、强化、颈缩四个阶段。选择Ramber-Osgood模型管道本构关系模型。阀室管道材料基本参数见表1,土体材料基本参数见表2。

表1 阀室管道材料基本参数

表2 土体材料基本参数

3.2 有限元模型

根据管道实测数据,使用SolidWorks软件对管道、土体进行建模,并导入ANSYS软件,然后将模型划分为133 816个节点、834 893个网格。土体底部设置为固定约束,土体四侧均添加轴向约束。模型长度方向的侧面添加三个方向的位移约束,模型前后两面只添加X方向的位移约束,模型底部添加固定约束,管道两端均添加X、Y方向的位移约束。管道有限元分析模型如图1所示,计算中暂不考虑温度变化、初始应力及外界振动等因素对管道应力的影响。

▲图1 管道有限元分析模型

3.3 结果

由于填海区域内地基土质较软,场地发生非均匀沉降,导致铺设的管道也发生较为复杂的变形。埋地管道在土体压力的作用下,不同位置产生不同程度的变形。随着沉降量的增大,管道应力也不断增大。为了确定监测时管道的极限沉降量,分别计算沉降量为10 mm、30 mm、50 mm、80 mm、100 mm、125 mm、150 mm时管道的最大等效应力,结果见表3。

表3 管道最大等效应力

由表3可以看出,管道沉降量与最大等效应力基本呈线性关系,即最大等效应力随沉降量的增大而增大。当沉降量达到125 mm时,最大等效应力为358.4 MPa,接近管道的许用应力。因此,若以许用应力作为管道失效破坏的标准,在进行阀室管道实时沉降监测时,极限沉降量不应大于125 mm。多次模拟结果显示,埋地三通是埋地管道最大等效应力产生的位置,因此埋地三通附近区域管道是应力监测的重点部位。

4 影响因素分析

为了进一步了解埋地管道在非均匀沉降作用下的应力变化,合理进行管道监测,提供行之有效的防护措施,分析管道内压、管道内径、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比等因素对管道应力的影响程度。分析时,采用控制变量法,在ANSYS软件中计算管道的最大等效应力。

4.1 管道内压

影响管道应力的主要因素是管道内压。经现场实测,管道平均内压为6.66 MPa。为了更好地研究管道内压与管道最大等效应力的关系,设管道内压为1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa,保持管道内径、管道壁厚、填埋浓度、土壤泊松比不变,分别进行有限元分析,得到不同管道内压下的最大等效应力,如图2所示。

▲图2 不同管道内压下最大等效应力

由图2可以看出,当管道内径、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比保持不变时,随着管道内压的增大,管道的最大等效应力也增大,因此最大等效应力受管道内压的影响较大。

4.2 管道内径

随着对天然气需求的增长,管道工程建设趋向大口径。为了研究管道内径对非均匀沉降管道最大等效应力的影响,对600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm共五种管道内径进行分析对比,结果如图3所示。

▲图3 不同管道内径下最大等效应力

由图3可以看出,当管道内压、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比保持不变时,随着管道内径的增大,管道的最大等效应力也增大,不过增大幅度会逐渐减小。当管道内径达到1 000 mm时,最大等效应力为274.15 MPa,比小管道内径更接近管道的屈服强度。因此,大口径管道在工程中的应力监测必不可少。

4.3 管道壁厚

管道壁厚会影响管道的抗变形能力,从而影响管道应力。为了研究管道壁厚对管道最大等效应力的影响,分别设置管道壁厚为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm,保持其它条件不变,进行有限元分析,结果如图4所示。

▲图4 不同管道壁厚下最大等效应力

由图4可以看出,当管道内压、管道内径、埋深、土壤泊松比保持不变时,管道壁厚与管道的最大等效应力成反比,即管道壁厚越大,管道的最大等效应力越小,应力减小幅度较稳定。当管道壁厚增大时,管道的刚度会增大,管道的抗变形能力会提高,因此管道壁厚与管道最大等效应力成反比。由此可见,在管道工程中,要注意可能导致管道壁厚减小的外部因素,如腐蚀等,从而防止因管道壁厚减小造成管道失效。

4.4 填埋深度

载荷作用在管道上的作用力会因为填埋深度的改变而不同,为了研究埋填深度与管道最大等效应力的关系,在其它条件相同的情况下,对填埋深度为1 000 mm、1 500 mm、2 000 mm、2 500 mm、3 000 mm共五种情况进行有限元分析,结果如图5所示。

▲图5 不同填埋深度下最大等效应力

由图5可以看出,当管道内压、管道内径、管道壁厚、土壤泊松比保持不变时,随着填埋深度的增大,管道的最大等效应力也增大,增大幅度较小。因此,在管道工程中,为了减小管道应力,敷设管道时应选用浅埋方式。

4.5 土壤泊松比

土壤泊松比是土壤横向应变与竖向应变的比值,与土壤性质有关。设置土壤泊松比分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5,保持其它条件不变,进行有限元分析,结果如图6所示。

▲图6 不同土壤泊松比下最大等效应力

由图6可以看出,当管道内压、管道内径、管道壁厚、填埋深度保持不变时,随着土壤泊松比的增大,管道的最大等效应力减小,减小幅度较小。由此可见,在管道工程中,土壤泊松比对管道最大等效应力的影响较小。

5 管道安全运行建议

不同环境条件会影响天然气管道的安全运行,对于我国沿海多降雨地区的阀室管道,笔者提出安全运行建议。

施工前地基处理时,将施工区域部分软土地基挖除,随后用砂石和灰土等材质稳定、无腐蚀性的材料进行填实。

管道防腐蚀时,用沥青漆涂料、过氧乙烯涂料和环氧树脂防腐涂料等提高管道的防腐蚀性能,将管道作为被保护的阴极,并采用牺牲阳极和外加电流等保护措施。

管道运行维护时,完善管道的监测网络,全面、及时跟踪管道应力状态,并根据反馈信息选择防范控制措施,避免阀室管道因非均匀沉降作用产生破坏,导致安全事故发生。

6 结束语

通过阀室管道有限元分析,得到了沉降量与管道最大等效应力之间的关系,即管道最大等效应力随沉降量的增大而增大。以许用应力作为管道失效破坏的标准,对阀室天然气管道进行实时沉降监测时,极限沉降量不应大于125 mm。

管道内压、管道内径、管道壁厚、填埋深度、土壤泊松比均对管道的应力状态有一定影响,降低管道内压,减小管道内径,增大管道壁厚,选择泊松比大的填埋材料,均可减小不均匀沉降时管道的最大等效应力。其中,管道内压、填埋深度的变化对管道应力状态的影响不大,而管道内径、管道壁厚的变化则会对管道应力状态产生较大影响。

预防非均匀沉降作用,需要对阀室天然气管道从施工和运营两个方面入手,关键是做好阀室管道沉降和应力监测,并及时对监测信息进行处理。