高压长输天然气管道站场管线全地上敷设的应力分析

中国石油天然气管道工程有限公司

目前我国在役管道站场的管线敷设方式主要为混合式敷设，即主管道地上敷设，辅助管道埋地敷设。管线混合式敷设通常站场美观、巡检方便且工程造价低。但是随着服役时间的增加，埋地管道的不均匀沉降将会造成管道的弯曲变形甚至破裂，其受力情况相对于地面普通管道更加复杂[1]。为此，本文以某长输天然气管道项目站场工艺管道为研究对象，提出了基于节点应力分析的站场管线全地上敷设法，通过对可能存在较大应力的主管线和强烈振动的放空管线的应力、受力、位移等指标进行模拟计算，确定管线的安装与约束方案，验证工艺管道全地上敷设方案的可行性，为高压长输天然气管道站场管线敷设提供了新的方法。

1 全地上敷设管道应力分析要点

管道在内压、持续外载以及热胀、冷缩等因素作用下，其最大应力往往超过材料的屈服极限[2]。因此全地上敷设的天然气管道的方案分析主要涉及以下几个方面：

（1）各类载荷来源。主要载荷有一次应力和二次应力载荷。一次应力载荷指管道内外压力、自身重力及压力脉冲对管道的作用，以及因风力、地震等外部因素瞬间承受的载荷。二次应力载荷指管道运行热膨胀、冷紧或管道设备位移产生的应力载荷[3]。

（2）静态分析。为防止管道出现塑性变形、管道疲劳损坏，必须进行内压荷载与持续荷载的一次应力分析计算、冷热膨胀位移的二次应力分析计算，以及管道系统与相关设备相互作用的受力分析，才能保证管道系统与设备的安全运行[4]。

（3）动态分析。当管道中流体介质流动不稳定时，若其扰动频率达到或接近管系的固有频率，则会引起管道共振[5]。气体高速流动时会对自由管道产生作用力，现象为噪声、振动甚至摆动，主要原因为流体与管道做高速相对运动时对管道的摩擦和冲击，需优化配管设计和合理安装管道防震支架，尽量避免管道共振[6]。

2 全地上敷设管道应力分析理论

长输管道中的输油或输气管道分别执行GB 50253《输油管道工程设计规范》、《输气管道工程设计规范》。国外常用ASME 规范主要有：①ASME B31.3，工艺管道；②ASME B31.1，动力管道；③ASME B31.4，输油管道；④ASME B31.8，输气管道。目前管道应力分析所依据的标准主要是ASME B31 系列[7]。天然气站场内的工艺管道应力可以根据ASME B31.3—2016 工艺管道进行。该规范要求由质量、内压和其他持续载荷所产生的纵向应力之和SL不超过在操作温度下材料的基本许用应力Sh。ASME B31.3 在1985 年5 月8 日的释义4-10 中，要求计算纵向应力时考虑轴向力的作用。一般认为管道纵向应力由附加轴向外力、弯矩和内压引起。

2.1 一次应力校核

对于一次应力校核，ASME B31.3—2016 版的校核公式为

式中：SL为质量、内压和其他持续载荷所产生的纵向应力之和，MPa；Sa为内压引起的轴向应力，MPa；Sb为质量、内压和其他持续载荷所产生的弯曲应力，MPa；St为质量、内压和其他持续载荷所产生的剪切（扭转）应力，MPa；Sh为操作工况下相应温度所对应的许用应力，MPa。

2.2 二次应力校核

对于二次应力校核，ASME B31.3—2016 版的校核公式为

式中：SE为弹性应力，MPa；Sa为位移应变产生的组合轴向应力，MPa；Sb为位移应变产生的组合弯曲应力，MPa；St为位移应变产生的组合扭转应力，MPa；SA为许用弹性应力，MPa。

2.3 天然气对管道的推力校核

天然气在站内管道内正常输送时流速较低（最大不超过20 m/s），因此无需考虑天然气输送过程对管道的影响，但应考虑天然气放空时管内局部流速过大导致瞬态力的影响。对于闭式排放系统而言，需要对其配管系统随时间变化的复杂情况进行分析，以便获得反作用力和弯矩的实际值。可利用API 520—2015 Sizing，Selection and Installation of Pressure-Relieving Devices 5.8.2.1 节公式估算放空时的最大瞬时力。

式中：F为管道不平衡力，N；W为气体流量，kg/s；k为比热容比T为进口温度，K；M为流体介质相对分子质量；A为排放点的出口面积，mm2；P为排放点的静压，bar(G)。

3 长输天然气站场管道应力校核方法

CAESARⅡ是在PC 机上运行的节点应力分析软件程序。CAESARⅡ不但可以根据ASME B31 系列以及其他国际标准进行应力校核，还可以按照WRC、API、NEMA 标准进行静设备和动设备的受力校核，因此广泛用于石油、化工等行业。

CAESARⅡ管道应力计算软件主要应用于杆单元模型计算[8]。通过使用简单梁单元及受力关系的模型，并定义作用在系统中的载荷，生成系统中用位移、载荷、应力表示的结果[9]。梁单元的特征是：无限细的杆单元，全部行为靠端点位移决定，弯曲变形是主要的，最终将管道模型转化为力学模型。

CAESARⅡ计算应力结果中有弯曲应力、轴向应力和扭转应力，然后将规范应力与许用应力进行比较，管道校核许用应力采用的是管材许用应力值的90%[10]。

4 可行性设计方案实例

4.1 工程概况及安装方案

该高压长输天然气管道项目各站场均位于广东地区，地下水位较高。为尽量避免埋地管线腐蚀严重的问题，从方便运行维护的角度出发，该项目更加适合采用全地上低墩敷设的安装方案。以该项目中的某分输清管站为例，场站内的工艺管道采用全地上敷设的方式，工艺安装方案平面布置如图1所示。

图1 某分输清管站平面布置Fig.1 Plan layout of an off load and pigging station

该分输清管站包括清管器收发装置2 座、卧式过滤分离器2 座、计量橇3 座、调压橇7 座、自用气橇1 座、地上卧式排污罐1 座。主要安装方案如下：①进出站、越站、线路放空管线埋地敷设；②放空、排污管线延设备回路汇集至过滤器出口汇管形成管廊，地上低墩敷设；③放空、排污管线采用管卡和管托的支撑和固定方式。

4.2 工程建模参数

建模参数主要包括：管道设计参数、管道参数和土壤参数。管道参数设置过程中，温度选取遵循以下原则：①安装温度选择站场所在地历年来最冷月平均最低气温；②埋地管线计算温度选择介质的最高运行温度；③地上管线计算温度需要考虑停输时地上管线受太阳辐射影响。具体管道参数取值如表1、表2 所示，土壤参数取值如表3 所示。

表1 输气管道设计参数Tab.1 Gas transmission pileline design parameters

表2 管道参数Tab.2 Pipe parameters

表3 土壤参数Tab.3 Soil parameters

4.3 应力荷载工况

静力分析需要对站场内的全地上敷设的输气管道在运行状态下的应力和位移分布情况进行分析，通常需要对操作工况、持续工况、膨胀工况、水试压工况、偶然工况进行分析，应力分析模型如图2～图7 所示，各应力、工况符号的简称如表4、表5 所示，各工况组合简称如表6 所示。

图2 分输清管站应力分析模型Fig.2 Stress analysis model of off load and pigging station

表4 应力符号与意义Tab.4 Symbols and significance of stress

图3 局部应力模型—收发球筒Fig.3 Local stress model—pig launcher& receiver

图4 局部应力模型—收发球筒（局部）Fig.4 Local stress model—pig launcher& receiver

图5 局部应力模型—过滤分离器Fig.5 Local stress model—Filter separator

图6 局部应力模型—放空阀BDV1213Fig.6 Local stress model—vent valve BDV1213

图7 局部应力模型—排污罐Fig.7 Local stress model—sewage tank

表5 工况符号与意义Tab.5 Symbols and significance of working conditions

表6 工况组合简称Tab.6 Abbreviation of working condition combination

4.4 分析结果

采用CAESAR Ⅱ软件对该分输清管站站场内的全地上敷设管道设计方案进行载荷工况分析、输出管道应力和最大位移情况分析。

4.4.1 应力分析

全地上敷设管道最大应力计算结果（前三名）及应力校核情况如表7 所示。

表7 应力计算结果Tab.7 Stress calculation results

由表7 可知，最大应力分别出现在持续工况、热膨胀工况及水试压工况，应力节点分别为收发球筒排污管、管廊汇管。

4.4.2 位移分析

各工况下的该分输清管站站场内的全地上敷设管道位移量分析主要包括：横向位移、纵向位移和轴向位移。3 个方向的最大位移量如表8 所示。

表8 x、y、z 方向上的管道最大位移Tab.8 Maximum displacement of pipeline in x、y、z direction

由表8 可知，最大位移出现在操作工况，应力节点分别为汇管、出入土主管线、清管器收发装置。

最终通过软件计算分析，该分输清管站输气管道系统的应力和位移满足相关要求，锚固处、设备约束处和管道约束处的应力为相应的基础设计提供了准确载荷数据，在保证管道和设备安全运行的同时提供了合理的设计依据。

5 综合打分法评价全地上敷设方案

全地上敷设方案与传统埋地方案优缺点对比见表9。

从施工难度、防腐与阴极保护效果、巡检和维抢修方便性、工程造价5 个方面进行分析可知，天然气站场管道全地上敷设的方案较传统的管道安装方案总体上具有优势。

表9 全地上敷设方案与传统埋地方案优缺点对比Tab.9 Comparison of advantages and disadvantages between above-ground laying scheme and traditional geographical scheme

6 结论

使用CAESARⅡ软件进行管道应力计算和分析，能够得到管段应力、位移、锚固墩、设备墩及各管墩受力的精确数据，结果可靠，不但可以保证管道系统的安全运行，还可以在此基础上减少不必要的工程投资，实现精细化设计。

通过对全地上敷设的天然气站场工艺设备、管道进行合理的全地上安装方案设计以及合理的管道支吊架选用，配合CAESARⅡ软件进行应力分析模型搭建和计算，证明高压长输天然气管道站场管道全地上敷设的方案是可行的。与传统的地上+埋地安装方案进行多方面对比，全地上敷设方案均具有一定优势，对类似项目的设计、建设具有一定的参考意义。