地基非均匀沉降下天然气管道应力分析

2024-01-22刘庆谢荣勃鱼东溟车馨心闫渊吴峰

石化技术 2024年1期

刘庆谢荣勃鱼东溟车馨心闫渊吴峰

1. 陕西省天然气股份有限公司延安分公司陕西延安 716000

2. 西北大学化工学院陕西西安 710069

随着我国经济的快速发展，天然气因为其清洁环保、利用率高等特点，越来越受到国家的重视[1]。目前，管道输送是天然气输送的主要方式。由于实际工程，地质条件的影响和限制，许多管道敷设在地基承载力低的地基上，承压后会有大变形，易造成敷设的管道由于地基沉降而发生沉降损害[2]。敷设在土质较软地基上的管道产生的沉降变形，根据沉降方式不同可分为：均匀沉降和不均匀沉降。

我国陕北地区是湿陷性黄土典型分布区。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025—2004），湿陷性黄土的定义是：在一定浸水压力下受水浸湿后，湿陷性黄土的土体结构迅速破坏，产生快速而大量的变形[3]。湿陷性黄土在受水浸湿后会产生地基的非均匀沉降。在地基不均匀沉降作用下，敷设在其上的输送管道应力状态发生变化，输送管道的结构形状或载荷发生局部突变，导致应力集现象。当达到材料使用性能的极限或接近最大应力时，极易造成输气管道发生疲劳破坏和脆性断裂[4]，因此对湿陷性黄土条件下敷设管道的结构应力进行定量的分析，对于管道的设计、安全运行与维护显得尤为重要。

随着计算机科学的发展，计算机软件在工程领域愈发普遍。由于管道受力环境的多样性、影响因素之间的耦合作用增加了管道分析难度。数值模拟研究方法的应用没有试验研究场地、模拟环境方面的限制，为研究埋地管道受力状况提供了广泛的空间[5]。刘兰兰[6]针对敷设在软土地基上的管道对管道应力计算进行分析。李玉坤[7]等跟据勘探的填海地区地质资料对填海地基的沉降值进行了计算和预测。Luo[8]模拟研究基础沉降作用下管道强度失效与沉降位移的关系，并讨论了过渡段长度对管道屈服的影响。Vazouras等[9，10]研究了土壤剪切强度、土体刚度等因素的影响，建立了一个简化的解析模型来说明弯曲和轴向拉伸的反作用效应。S.Limura[11]针对埋地管道和地上管道分别建立相应的求解模型并在管道交汇位置变形协调，得到的模拟结果和实际管道应力测量值吻合度较高。

目前，国内外对埋地管道的研究已经取得了很大的成果，但是，不均匀沉降下埋地管道的受力状态，尤其是埋地管道弯管段的应力分析方面有待完善[5]。对于管道结构复杂，同时存在地上段与埋地段的管道在场地沉降作用下的受力求解模型研究还比较少[12]。因此，地基非均匀沉降下的管道力学性能研究还需要更进一步的分析。

志丹压气站输气管道铺设在湿陷性黄土地基上，且同时存在地上段与埋地段管道。由于该地区降水量较之前有了大幅度上升，湿陷性黄土在受水浸湿后产生了严重的地基非均匀沉降现象。地基的非均匀沉降对管道产生了附加应力，产生了肉眼可见的位移偏量。针对陕西天然气管道志丹压气站输气管道存在的问题，结合管道实时监测系统进行数值模拟分析，为志丹压气站天然气管道的应力预测提供理论依据。

1 管道模拟分析

ANSYS 有限元分析软件具有丰富和完善的单元库、材料模型库以及求解器，能够充分保证高效求解各类结构的静力问题[13]。选择使用ANSYS软件对志丹压气站典型的天然气管段的实际受力情况进行有限元分析，技术路线见图1。

图1 技术路线

在地基不均匀沉降作用下，考虑输气管道的受力状况，在ANSYS中建立输气管道的有限元模型。其过程主要为四个部分：建立输气管道的几何及网格模型，施加约束并求解，对管道模型进行验证并分析模拟结果。根据计算结果，结合输气管道的位移情况判断管道的应力分布变化规律；对比验证模拟与监测数据；评估管道安全、预测管道应力状态[14]。

1.1 模型基本假设

根据志丹压气站输气管道的特点，对分析模型进行简化：

（1）钢制管道的连接处多为焊接，在分析输气管道时，假设管道连续，不考虑分段管道的连接情况。进行建模简化时不考虑法兰和阀门。

（2）模拟不考虑土壤与管道的摩擦作用，数值模拟中通过合理的约束施加方法模拟土壤与管道相互作用。

（3）根据压气站情况，设压气站西北部分第一个横管倾角为30°，管道弯管部分的曲率半径全部选取1.5倍的管道工程直径。

（4）选取的管道材料参数依据现有的规范选取[15]。

1.2 管道模型建立

1.2.1 材料属性

志丹压气站所研究管段管材为X60管线钢（即L415钢）。L415钢的屈服强度高、塑性好，可承受较高压力，是石油、天然气输送等大口径焊接钢管的主要钢种。X60管线钢材料性能常数为：弹性模量E=200Gpa，泊松比μ=0.3，钢材选用全局二段式管线钢应力-应变关系。

根据管道钢材特性，利用ANSYS有限元软件添加材料属性进行模拟计算。数值模拟定义材料属性时，根据马廷霞等[16]的实验得到L415钢的拉伸实验应力-应变曲线中获取坐标点表1，然后通过各点拟合出多段线性模型定义应力应变本构关系，见图2。

表1 多段线性本构关系表

图2 L415钢的拉伸实验应力-应变曲线

1.2.2 几何模型及网格划分

以志丹压气站提供的输气主管道平面图为依据，主管尺寸为φ711×16，左侧支管尺寸为φ610×16，右侧支管尺寸为φ406.4×12.5。根据所给定尺寸数据使用建立管道模型。见图3。

图3 管道模型

使用网格化分软件（Meshing）进行网格划分。根据实际沉降状况监测数据，在三通和弯管部分容易出现应力集中现象，因此网格划分时对三通、弯管等部位进行局部加密，网格数量为199819。网格划分见图4所示。

1.3 载荷和约束设置

由于志丹压气站现场管线已经停止进气且埋地管段已经开挖，所以在模拟分析时只对管网系统施加重力载荷。受土壤不均匀沉降影响，压气站现场管道实际受力情况较为复杂。因此，在数值模拟中，通过合理简化的约束施加方法模拟土壤与管道相互作用。管网的约束设置位置见图5，约束设置汇总见表2。根据志丹建（构）筑物在运营期间的实际沉降状况监测数据，估算得到实际断面位移偏量：X= -300mm，Y= 100mm，Z=-300mm。在模拟中通过在H断面施加此位移偏量来表示实际监测结果。

表2 约束设置汇总表

图5 管网约束位置

2 计算结果与讨论

2.1 模型验证

志丹压气站站内管网现场采用应变式电阻传感器对管路进行实时监测。电阻式应变片布点位置见图6示。

图6 电阻式应变片布点位置（俯视图）

将压气站现场监测到的数据和模拟数据进行对比分析，并给出实际检测数据与模拟数据之间的相对误差，见表3。相对误差计算公式为：

表3 模型验证应力数据表

分析表格可以发现，模拟值与实验值的相对误差最大在11号应力检测点，为9.8%。在工程应用上，通常数值模拟结果和实验结果之间的误差在±20%以内认为是可以接受的，因此所搭建的管网系统和对此模型所作的基本假设合理可行，可应用此模型进行进一步的管路力学性能模拟分析，见表3。

2.2 模拟结果分析

由于监测数据点较多，根据各点模拟及监测情况，选取其中部分监测点数据进行分析，应力监测数据与模拟数据的对比见图7。由图表可知部分模拟值与实验值存在偏差，但误差不大。造成此现象可能是因为模拟取的应力数据是某点附近最大的应力值，而实际监测位点不一定在最大应力值处，监测点与模拟的最大应力值点存在偏差。比如：模拟的15号点取值在三通处，而现场管路中15号点电阻式应变片安装点与三通存在一段距离。由图7可知，管道在10号点应力最大，此处应力超过400MPa，材料即将进入塑性阶段。

图7 应力监测点数据对比

图8为全管网的等效应力分布云图。模拟通过在左侧主管线截面施加位移偏量来表示实际监测结果，因此地下主管线部分存在较大的等效应力强度。由图8可知，管网的应力集中现象主要发生在弯管以及三通处，如9，10，11号点。左侧弯管和三通处的等效应力强度远高于右侧弯管和三通，造成此现象的原因是位移偏量的施加在左侧主管线截面处，左侧弯管和三通距离位移偏量的施加较近，更容易受到位移偏量的影响，造成较大的应力集中现象。由于在主管道左侧截面H点施加了位移偏量，导致管道拉伸，使得右侧主管线发生了较大的反向位移。

图8 等效应力分布

2.3 管道应力预测

志丹压气站的地基非均匀沉降会使管道持续性发生位移，随着时间的推移有可能导致原本应力强度较小的点发生应力集中。为了对基于不均匀沉降的管道应力值进行预测，以根据实际沉降状况监测数据估算得到的实际断面位移偏量为基准，在此基础上进行成比例放大，见表4。

表4 位移偏量放大比例

监测位点6号、9号、10号、11号和15号点的应力随沉降量的趋势见图9所示。由图9可知，随着沉降量增大，6、9、11号点的应力强度发生了较为剧烈的变化，在此三点处都发生了较为明显的应力集中；15号点应力变化很小，说明在15号点并没有发生明显的应力集中现象；10号点应力变化较小，但该点已经进入塑性阶段，管道需要采用基于应变的判据来判断管道的安全状态。

图9 应力随沉降量的趋势图

随位移偏量的增大，6号点一直处于弹性阶段；11号点附近管道经历了由弹性变为塑性的过程；9号点管道从弹性阶段即将进入塑性阶段。为了避免管道产生大变形进入塑性阶段，使管道受到不可逆转的伤害，需要随时监测沉降量，当沉降量即将达到1.6倍的初始位移偏量时，及时释放9号和11号点应力。10号点附近管道已经进入塑性阶段，管道已经变形并且不可恢复。在整个管网中，需要时刻注意10号点，避免管道在外界载荷作用下产生的应变超过其许用极限，造成管道失效。

图10为位移偏量X= -600mm，Y= 200mm，Z=-600mm时的等效应力分布云图。对比图9与图10（a）可知，位移偏量增大使管道拉伸更加严重，管道发生严重扭曲；管道应力强度急剧增大，左侧弯管管道基本全部进入塑性阶段，需要对整个左侧弯管进行都应力释放，避免管道失效。右侧弯管材料在弹性阶段，应力有所增加。图10（b），（c）为左侧弯管10、11号点的等效应力云图，两点最大应力大于450MPa，进入塑性阶段。如果继续发生地基非均匀沉降而不采取措施释放管网应力，极易导致管道失效，对管道安全造成威胁。