摘 要

摘　要：目前輸氣管道的應(yīng)力分析主要針對(duì)普通埋設(shè)管道，對(duì)隧道內(nèi)的輸氣管道(尤其是在試壓工況下)的應(yīng)力分析還比較少，一般情況下管道試壓壓力大于運(yùn)行壓力。因此，有必要分析試壓工

摘　要：目前輸氣管道的應(yīng)力分析主要針對(duì)普通埋設(shè)管道，對(duì)隧道內(nèi)的輸氣管道(尤其是在試壓工況下)的應(yīng)力分析還比較少，一般情況下管道試壓壓力大于運(yùn)行壓力。因此，有必要分析試壓工況下穿越輸氣管道的應(yīng)力分布情況。為此，呆用CAESARⅡ建立了試壓工況下XX豎井盾構(gòu)隧道穿越管道的應(yīng)力分析模型，得到了穿越管道的應(yīng)力分布情況，確定了應(yīng)力關(guān)鍵點(diǎn)，校核了管道強(qiáng)度，通過(guò)實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)管道應(yīng)力的最大值在管道的彎管處。一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和管道自重引起的應(yīng)力對(duì)比分析結(jié)果表明，在試壓壓力較高的情況下，內(nèi)壓是產(chǎn)生管道應(yīng)力的主要因素，而溫度、管道自重對(duì)管道應(yīng)力的影響很小。最后建議：在穿越管道的設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行試壓工況下的應(yīng)力分析，以便找出應(yīng)力集中點(diǎn)，采取相應(yīng)的工程措施，保證穿越管道的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道  穿越  輸氣管道  試壓  應(yīng)力  分析  CAESARⅡ

Stress analysis of a gas pipeline through shield tunnels under pressure testing conditions

Abstract：Stress analysis has rarely been conducted of gas pipelines through shield tunnels especially under pressure testing conditions．In general，the testing pressure is higher than the operating pressure so it is quite necessary for the operators to analyze the distribution of pressure on the gas pipeline through shield tunnels udder such conditions．In view of this，the integraph CAESARⅡ software was adopted tO build a stress analysis model for a case study of XX silo shield tunnel．On this basis，the stress distribution was clearly shown；the stress key points were determined；the strength of the pipe was checked；and the maximum value of stress was found on the gas pipe elbows．Moreover，the primary stress，the secondary stress，and the self weight stress were comparatively analyzed to demonstrate that under higher testing pressure，the internal pressure is the main factor inducing the pipe stress while both temperature and the self weight of the pipe have little impact on the pipe stress．In the end，this paper suggests that stress analysis especially under pressure testing conditions should be done in the design of tunnel-through pipelines；in this way，the stress concentration position will be so easily found out that corresponding engineering measures should be taken to ensure safe operation of tunnel through pipelines．

Key words：shield tunnel，tunnel through pipeline，pressure testing，stress analysis，CAESARⅡ

目前油氣管道設(shè)計(jì)常常依靠經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，隧道內(nèi)管道應(yīng)力分布情況不清楚，因此，不能保證管道的安全運(yùn)行^[1]。此外，除了設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量問(wèn)題、管道腐蝕失效、管道疲勞失效等原因外，構(gòu)成油氣管道安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)還有一個(gè)重要的因素是管道穿越時(shí)特殊管段由于應(yīng)力集中而不能滿足強(qiáng)度要求，從而產(chǎn)生失效破壞^[2-3]。

管道試壓是管道施工的重要工序，是對(duì)管道施工質(zhì)量、材料性能、管道整體性能的一次綜合檢驗(yàn)，也是對(duì)管道工程在生產(chǎn)中能否在設(shè)計(jì)壓力下安全運(yùn)行的一次檢驗(yàn)。通過(guò)管道強(qiáng)度試壓可以驗(yàn)證管道的整體強(qiáng)度，檢驗(yàn)其能否承受生產(chǎn)運(yùn)行的壓力，還可以為提高管道輸量、增加管道輸送能力提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)SY／T0015.1-1998《原油和天然氣輸送管道穿跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范—穿越工程》6．2．1的規(guī)定，大、中型水域、鐵路及Ⅱ級(jí)以上公路的穿越管段，必須獨(dú)立進(jìn)行強(qiáng)度試壓和嚴(yán)密性試驗(yàn)，合格后再同相鄰管段連接。

1　管道應(yīng)力分類及校核標(biāo)準(zhǔn)

1．1　管道應(yīng)力分類

管道的基本應(yīng)力有軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和剪應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力的基本特征又可將應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。

一次應(yīng)力是由于外載荷作用而在管道內(nèi)部產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它滿足與外力平衡的條件，始終隨外載荷的增加而增加，最終達(dá)到破壞。因此，一次應(yīng)力是非自限性的^[4]。

二次應(yīng)力是由于管道變形受約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它本身不直接與外載荷相平衡。當(dāng)材料是塑性材料時(shí)，在較大二次應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，與之相鄰部分的約束得到緩解，變形趨向協(xié)調(diào)，二次應(yīng)力不再繼續(xù)增大，自動(dòng)地限制在一定的范圍內(nèi)。因此，二次應(yīng)力是自限性的。同時(shí)，二次應(yīng)力作用的區(qū)域范圍限制在局部區(qū)域內(nèi)，所以二次應(yīng)力還具有局部性^[5]。

1．2　校核標(biāo)準(zhǔn)

輸氣管道穿越工程應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行試壓，鑒于輸氣管道隧道穿越工程的重要性，并且考慮到一旦管道埋沒(méi)后返工或維修很困難，根據(jù)SY／T0015.1-1998《原油和天然氣輸送管道穿跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范——穿越工程》6．2．2的規(guī)定，油氣輸運(yùn)管道的穿越管段試壓介質(zhì)、試壓壓力和試壓時(shí)間分別按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50253和GB50251規(guī)定執(zhí)行^[6]。大、中型穿越管段的強(qiáng)度試驗(yàn)壓力按下式計(jì)算。

 

式中鄉(xiāng)R_t為強(qiáng)度試驗(yàn)壓力，MPa；d為鋼管沒(méi)計(jì)壁厚，mm；s_s眠為鋼管規(guī)定的屈服極限，MPa；D為鋼管外徑，mm。

根據(jù)GB50251—2003《輸氣管道下程設(shè)計(jì)規(guī)范》10．2．3的規(guī)定：用水作為試壓介質(zhì)時(shí)，每個(gè)管段的自然高差應(yīng)保證最低點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力不大于0.9s_s，水質(zhì)為無(wú)腐蝕性潔凈水；試壓宜在5℃以上的環(huán)境溫度下進(jìn)行，否則，應(yīng)采取防凍措施；注水宦連續(xù)，排除管線內(nèi)的氣體；水試壓合格后，必須將管段內(nèi)積水清掃干凈。

試壓工況下輸氣管道內(nèi)介質(zhì)溫度可以選為自然水常年平均溫度20℃。

國(guó)外應(yīng)用得較為廣泛的管道應(yīng)力分析軟件是CAESARⅡ，其理論采用梁?jiǎn)卧挠邢拊椒?，在其管道?yīng)力校核方法上，主要遵循的是ASMEB31.8的相關(guān)規(guī)定^[7-15]。本文使用CAESARⅡ軟件對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析。

2　試壓工況下管道應(yīng)力分析模型

筆者試壓工況下隧道內(nèi)輸氣管道露空安裝，管內(nèi)介質(zhì)為潔凈水，溫度選為自然水常年平均溫度20℃。應(yīng)力分析包括管道自重(W)、內(nèi)壓(p)所產(chǎn)生應(yīng)力的分析。

2．1　模型輸入

模型輸入包括描述管道單元及作用在單元節(jié)點(diǎn)上的外部影響(邊界條件或載荷)、管道系統(tǒng)靜力分析需要的計(jì)算條件(溫度、壓力等)、管道材料特性(楊氏彈性模量、線膨脹系數(shù)、基本許用應(yīng)力等)、管道尺寸(直徑、壁厚、長(zhǎng)度)、空間走向、約束方式等作為基本數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)沿管道變化，整個(gè)管道系統(tǒng)劃分成多個(gè)單元，每個(gè)單元由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。

2．2　確定約束

輸入管道系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將固定墩約束的力學(xué)模型設(shè)定為不能發(fā)生位移的全固定約束，但能承受彎矩、剪力、軸力；支墩約束的力學(xué)模型設(shè)定為垂直向上的支撐約束及管道環(huán)向約束，不能承受彎矩和軸力。

2．3　建立荷載工況

靜態(tài)分析的第一步就是建立管道的荷載工況。分析的工況包括試壓條件下的一次應(yīng)力計(jì)算工況及二次應(yīng)力計(jì)算工況。

依據(jù)ASMEB31.8《氣體運(yùn)輸和分配系統(tǒng)的管道標(biāo)準(zhǔn)》，隧道內(nèi)管道處于較為封閉的環(huán)境，并有支墩、錨固墩和支吊架，所以靜力分析時(shí)主要校核自重(W)、內(nèi)壓(聲)和溫度(T)的應(yīng)力。

試壓條件下應(yīng)力影響因素的疊加計(jì)算：

L₁ = W + T + p

式中L₁為計(jì)算管道系統(tǒng)對(duì)邊界的推力。

一次應(yīng)力計(jì)算工況下的載荷疊加計(jì)算：

L₂ = W + p

式中L₂為管道系統(tǒng)中各點(diǎn)的一次應(yīng)力值。

二次應(yīng)力計(jì)算工況下的載荷疊加計(jì)算：

L₃= L₁ – L₂

式巾L₃為管道系統(tǒng)中各點(diǎn)的二次應(yīng)力值。

檢查無(wú)誤后，軟件即開(kāi)始對(duì)所建立的模型進(jìn)行靜態(tài)分析。

3　實(shí)例模型建立及應(yīng)力分析

3．1　基本參數(shù)和數(shù)據(jù)

以XX隧道穿越管道為例，根據(jù)SY／T0015.1-1998《原油和天然氣輸送管道穿跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范穿越工程》6．2．2計(jì)算得到管道的試壓壓力為21.2MPa，試壓介質(zhì)為清水，試壓溫度為20℃，輸氣管道的工作溫度為40℃，建立試壓工況下的應(yīng)力分析模型。表l為該管道的參數(shù)表。

 

根據(jù)XX隧道穿越管道設(shè)計(jì)資料，隧道穿越的總長(zhǎng)度為2246.7m，隧道內(nèi)全部采用露空與管架支撐形式，在隧道進(jìn)口和出口處分別設(shè)置錨固墩l和錨固墩3，用以截?cái)嗨淼劳夤艿缹?duì)隧道內(nèi)管道的影響。隧道進(jìn)口豎井深度為26.87m，支吊架2個(gè)(第1個(gè)支吊架距隧道進(jìn)口處5.4m)，2個(gè)支吊架間距為2.816m；平巷長(zhǎng)度為2160m，平巷內(nèi)設(shè)置支墩，支墩間距為l2m，共設(shè)置支墩l81個(gè)；隧道出口豎井深度為18.32m，支吊架l個(gè)(距隧道出口處6.624m)；管道彎管處的曲率半徑為6D(D為管道外徑)。管道的材料為L485，管徑為914mm，壁厚為22.2mm，彎管壁厚為23.8mm。根據(jù)式(1)計(jì)算得到試驗(yàn)壓力(p_t)為21.2MPa。XX隧道豎井盾構(gòu)穿越輸氣管道具體布局如圖1所示。

 

3．2　實(shí)例模型

為了更好地分析管道在試壓工況下的受力情況，需要建立的模型有：管道系統(tǒng)起點(diǎn)模型、直管段模型、彎管段模型、豎直管段模型和整體管道模型。具體做法是用節(jié)點(diǎn)號(hào)按順序標(biāo)記各管墩和彎管，輸入載荷分量數(shù)據(jù)(重量、熱工況等)，再把點(diǎn)應(yīng)力值直接附加到輸氣管道各節(jié)點(diǎn)上(圖2、3)。

 

 

3．3　應(yīng)力分析

模型輸出內(nèi)容包括各個(gè)支撐情況分析、管線各點(diǎn)應(yīng)力校核、錨固墩受力情況分析和管線各點(diǎn)位移分析等。從試壓工況下的應(yīng)力輸出分析結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力產(chǎn)生在2個(gè)彎管處，說(shuō)明隧道內(nèi)輸氣管道的集中應(yīng)力主要位于彎管處。表2～5是試壓工況下各節(jié)點(diǎn)的最高環(huán)向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及軸應(yīng)力(集中應(yīng)力)的校核情況。

 

由表2～5可知，最高操作態(tài)綜合應(yīng)力產(chǎn)生在管道彎管3處，管道系統(tǒng)單元l70～180即管道76～82m處的最高操作態(tài)應(yīng)力為397.46MPa，最高操作態(tài)應(yīng)力比率為91.5034％，綜合應(yīng)力主要產(chǎn)生在彎管3處，一次、二次應(yīng)力及綜合應(yīng)力校核最高節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均未超過(guò)434.37MPa，滿足管道的強(qiáng)度和柔性要求。

圖4為試壓工況下應(yīng)力比率的變化情況，從圖4可以看出：

 

1)在試壓工況下的一次應(yīng)力和綜合應(yīng)力校核中，最大應(yīng)力產(chǎn)生的位置都在管道的彎管3處，產(chǎn)生最大二次應(yīng)力的位置在管道的彎管2處，說(shuō)明彎管是應(yīng)力危險(xiǎn)截面處。

2)二次應(yīng)力遠(yuǎn)小于一次應(yīng)力，二次應(yīng)力只占管道綜合應(yīng)力的2.88％，所占比例很小。由于二次應(yīng)力反映的是溫度對(duì)管道應(yīng)力的影響，故在試壓工況下，溫度對(duì)管道應(yīng)力的影響很小，可以忽略不計(jì)。

3)一次應(yīng)力占管道綜合應(yīng)力的97.12％，故占管道應(yīng)力的大部分。同時(shí)，在管道自重對(duì)一次應(yīng)力影響的校核中，管道自重占一次應(yīng)力的8.9％，所占比例較小。因此，管道內(nèi)壓是產(chǎn)生一次應(yīng)力的主要因素。在一次應(yīng)力校核中發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)在管道彎管3處，由于一次應(yīng)力反映的是管道內(nèi)壓和管道以及管內(nèi)介質(zhì)的自重對(duì)管道應(yīng)力的影響，因此，在試壓工況下，影響管道應(yīng)力的最主要因素是管道內(nèi)壓。

4　結(jié)束語(yǔ)

提出了采用CAESARⅡ建立試壓工況下豎井盾構(gòu)隧道穿越輸氣管道應(yīng)力分析模型的方法，根據(jù)軟件分析結(jié)果得到了輸氣管道的應(yīng)力分布情況，找到了管道應(yīng)力集中點(diǎn)，校核了管道強(qiáng)度。

通過(guò)對(duì)XX隧道穿越管道應(yīng)力進(jìn)行分析，得到一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和綜合應(yīng)力最高應(yīng)力校核及管道的應(yīng)力分布情況。實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)管道應(yīng)力的最大值在管道彎管3處，依據(jù)一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和白重引起的應(yīng)力對(duì)比，得出在試壓壓力較高的情況下，內(nèi)壓是產(chǎn)生管道應(yīng)力的主要因素，而且溫度、管道及管道內(nèi)介質(zhì)的自重對(duì)管道應(yīng)力的影響很小。

提出的管道應(yīng)力分析方法，可以比較詳盡地掌握隧道內(nèi)管道應(yīng)力的分布情況，為豎井穿越管道線路設(shè)計(jì)提供了有效的數(shù)據(jù)支持，能減少應(yīng)力集中引起的管道失效。由于試壓壓力遠(yuǎn)大于運(yùn)行壓力，為保證穿越管道的安全運(yùn)行，建議在穿越管道的設(shè)計(jì)中進(jìn)行試壓工況下的應(yīng)力分析，找出應(yīng)力集中點(diǎn)，并采取相應(yīng)工程措施。

 

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本文作者：吳曉南  舒浩紋  昝林峰  蔣喜  胡道華  謝箴

作者單位：兩南石油大學(xué)石油工程學(xué)院

  中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司