管道应力在线实时监测在输气站场沉降治理中的应用

林涛(中海油珠海管道有限公司，广东 珠海 519015)

0 引言

随着国家对雾霾天气和大气污染治理力度的加强，天然气在一次能源消费结构中将占据愈发重要的地位。天然气管道和分输站场的保障能力将是制约天然气发展的关键因素。随着国内天然气长输管道及站场的大量及投产建设，很多天然气分输站场均出现一定程度的不均匀沉降，由此带来了安全隐患。现以国内某天然气分输站场的沉降治理为例，具体说明应力在线实时监测在沉降治理中的应用。

此分输站于2014 年建成投产，由于该站场处于海岸平原，场地内较厚流塑淤泥及淤泥质土，该土层压缩系数高，固结时间长。土层固结后产生不均匀沉降的不良地质作用。沉降对管道危害极大[1-3]，为保证供暖季的供气要求，分输站计划将系统操作压力由约7.2MPa 升至最高操作压力8.9MPa。本文通过建立多维管道应力模型研究，如何在分输站不停输的情况下，通过对应力集中处的应力释放，达到降低或消除工艺管线内部的应力值。确保工艺系统在最高操作压力(8.9MPa)下的平稳安全运行。

1 高栏港分输站地质概况及沉降现状

1.1 分输站地质情况

站场区域内的地基土为第四系人工填土、海相交互沉积的淤泥、淤泥质土、粉质粘土、中砂、粗砂及砾砂。上部堆填有厚度3.0～6.0m 左右的碎石、块石，植被稀少。

1.2 沉降原因分析

站址所在区域为广东珠三角地区，由于珠三角地区的水系发达，水网密集，且多为冲积平原，地质条件较差。竖直方向上各层土的物理性质和力学强度相差大，因此整个场地地基土均匀性较差。土质经分析主要为砂质粉土和粘性土，多属欠固结状态。该类软土的特性是压缩性大、地基强度低、固结变形持续时间长、渗透系数小，这样的情况是沉降量就比较大。通过对以往沉降形式的研究，可分固结沉降、次固结沉降和瞬时沉降，三种沉降不是单独发生是交错发生，且在某一阶段以某种沉降为主。且地下水位较高，受潮汐影响明显。这是分输站发生不均匀沉降的主要原因。

同时，设计中站场内仅在设备基础下方施工单根管桩，工程管桩与工程管桩间距较大，管道下方没有进行任何地基处理措施，上部回填土体随季节气候的变化而反复产生不均匀的升降，进而产生对设备管道的不均匀挤压。

1.3 沉降案例

分输站于2013 年9 月完成工艺安装。2014 年3 月，分输站内发现设备有起翘现象，进站管道收发球筒端部起翘，与基础间距约为2.5cm 左右。2014 年11 月，分输站内部分小口径排污管线和放空管线有局部的沉降现象。2015 年8 月，分输站调压撬后端管线沉降，将调压撬基座压弯。同时，站内电缆、光缆等也出线不同程度的沉降。

2 三维应力分析原理及模型建立

建立模型采用比较成熟的CAESARII 应力分析软件。对管道初始模型进行运算，输入现场测量位置值，通过施加均布荷载方式模拟管道沉降量，判断管道位移和应力是否满足规范要求，是否满足现场施工要求。如果管道应力满足规范要求，继续增大均布荷载值，直到应力超标，得出超标时的位移情况。当管道应力不满足规范要求，那么就需要判断通过增加管道支撑是否可行，来满应力需要和规范要求；如果测算后还是不满足，就要修改支撑位置、方式，重新对管道应力进行分析计算直至满足条件。

2.1 应力评定准则

管道设备所受的静力分析主要包括两方面因素。首先是压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算(防止塑性变形破坏)，其次是管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算(防止疲劳破坏)，这是较为成熟的判断因素。

分析应力评定准则采用ASME B31.3《输气和配气管道系统》规范，其关于管道应力的要求如下，

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①持续载荷工况(SUS)

B31.3 规定持续应力为：

式中：SL 为纵向应力；SP 为内压产生的轴向应力；SX 为除内压和温度外产生的轴向应力；SB 为由于重力和其它外部载荷引起的弯曲应力；S 为管道材料的最小屈服强度；T 为温度折减系数。

②热膨胀工况(EXP)

该状况考虑温度对管道的热膨胀影响所产生的应力和载荷。

B31.3 规定的热膨胀应力为：

2.2 模型建立

2.2.1 模型边界条件确定

将管道的设计压力作为确定管道计算压力的依据，应考虑在最苛刻温度下所对应的操作压力或考虑不低于正常操作中预计的最高压力。如无特殊规定应按以下条件选取：计算管系应力应选取设计压力。在最大的出站温度应同时对应设计压力，将该条件设为最苛刻的系统压力边界条件。故本次应力分析采用站内调压前压力为9.2MPa，调压后压力为6.3MPa 进行分析。

日常操作中预计的最高(最低)温度或在其它工况下的最苛刻温度应低于管道的设计温度，取其最高(最低)值。高栏港分输站本次应力分析部分进站管道为埋地敷设，站内大部分管系为地上敷设，系统应力影响较大的介质温度也应在设计考虑。本次应力分析模型温度均选用35℃(最高月平均温度)。

本次应力分析模型的材质分为三部分，站外管道材质为API 5L X70，站内主管道材质为API 5L X70 X60 X52，放空、排污管道材质为X60 和X52。

2.2.2 多维管道应力模型建立

利用CAESARII 软件建模，将现场实测的沉降数据通过在模型中施加载荷的方式计算出分输站阀组区应力集中点及内应力水平。

图1 进站阀组区管道应力分析模型及主要节点

图2 均布荷载后SUS工况管线模型主要节点应力表

将现阶段设备管线所承受的应力值设定为基础标准值σ(P)。后续治理目标将工艺系统内的内应力始终控制在基础标准值之内，以此确保分输站的安全运行。由于生产运行压力始终维持在约7.0MPa。为保证分输站在最高运行压力8.9Mpa下正常安全运行，现需计算得到工艺系统压力由7.0MPa 升至8.9MPa 基础标准值的变化：

式中：σ 为设备管线材料所承受的基础标准应力值； P 为系统操作压力；△σ 为本次沉降治理的理论内应力补偿值。

通过对分输站工艺系统的建模，模拟运行压力由现阶段的实际操作压力7.0MPa 升至设计的最高操作8.9MPa，具体参数如图3。

为保障系统安全，考虑不均匀沉降对管道系统的影响。从理论角度看，应在理论应力的基础上增加一定的安全余量作为补偿应力，即目标内应力补偿值。故取轴向目标内应力补偿值为力37MPa，径向目标内应力补偿值47MPa。

图3 模型节点图

3 现场实施要点

沉降治理过程中，首次将管道在线应力观测引入到沉降治理中，实时反馈治理过程的应力变化。并通过应力变化值反过来指导现场施工，根据应力变化实测值确定管道阀门标高调整的具体数值。做到了沉降治理全过程的应力有效监控。真正实现了在治理管道不均匀沉降时，“事前有目标，事中有监控，事后有跟踪”的全过程监控。

本次以其中一条来气管线为例来说明三维应力模型的应用情况及效果。同时，记录阀门抽取垫铁和系统升压过程中的应力变化。

图4 来气入站关系测点贴片位置

以其中一个重点应力观测点的应力变化曲线为例，详见图5、图6。

图5 空阀前，侧面测点1应力变化曲线

图6 放空阀前，顶部测点3应力变化曲线

通过现场的应力实时观测数据反馈，工艺系统输气压力由7.9MPa 逐步高到8.9MPa 后，主要应力监控点处的应力水平均控制在基础标准值σ 之下，满足前期的设计要求。

4 结论

根据建立的三维模型可以实现对沉降的管线进行有效的评估，并根据评估的结果采取最佳的防治措施，从而消除管道安全隐患，使“互联互通，南气北调”得以实现，为冬季保供保驾护航，具有巨大的社会效益。