魏星1 浦哲2 邱俊2

1.上海天然氣管網(wǎng)有限公司； 2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院

摘要：由管道沉降造成的應(yīng)力集中是管道失效的常見形式。而管道支撐不當(dāng)或失效是導(dǎo)致管道沉降的一個重要因素。利用CAESAR Ⅱ軟件對某天然氣公司閥室管道系統(tǒng)進行應(yīng)力分析，在管道下方設(shè)置彈簧監(jiān)測裝置，結(jié)合定期應(yīng)力檢測，盡早發(fā)現(xiàn)管道或管道支撐沉降并及時采取治理措施。彈簧檢測裝置還能起到輔助支撐作用，以有效降低管道應(yīng)力，消除隱患，保障管道安全。

關(guān)鍵詞：CAESAR Ⅱ軟件；管道支撐；應(yīng)力分析；管道沉降監(jiān)測

由管道沉降造成的應(yīng)力集中是管道失效的常見形式。管道沉降的一個重要原因就是管道支撐不當(dāng)或失效[1]，目前管道或設(shè)備底部大部分采用管道基礎(chǔ)+管道支撐（硬支撐），由于地面沉降會導(dǎo)致管道與某些管道支撐之間產(chǎn)生間隙。這時原有支撐力消失，管道產(chǎn)生應(yīng)力集中或位移，超過一定限度可能失效引發(fā)泄漏或爆炸[2]。因此，探討管道沉降監(jiān)測非常必要。

上海某天然氣公司多個閥室地面黃沙沉降，導(dǎo)致管道支撐多處沉降，管道連接處應(yīng)力增大，存在安全隱患。該公司立即采取消減措施消除應(yīng)力集中，并設(shè)置管道沉降監(jiān)測裝置進行實時監(jiān)測。本文以其中一個閥室為例，分析總結(jié)管道沉降監(jiān)測效果。  

1  管道沉降現(xiàn)狀及監(jiān)測

該閥室管道沉降情況如圖 1所示，部分管道基礎(chǔ)脫空，支撐失效，管道應(yīng)力增大�，F(xiàn)場采取應(yīng)力釋放、并重新制作管道基礎(chǔ)、加固管道支撐等治理措施。

圖 1 管道支撐脫空及地面黃沙流失現(xiàn)狀

為便于今后觀測閥室管道沉降情況，設(shè)置了彈簧沉降監(jiān)測裝置，如圖 2所示。布設(shè)方法為：①將閥室內(nèi)旁通閥門一側(cè)的原固定支架改為帶有位移應(yīng)力監(jiān)測功能的彈簧支架（帶有刻度指針）；②分別在彈簧支架的下方管道基礎(chǔ)及上方管道處設(shè)置沉降監(jiān)測點；③測量并記錄指針刻度及各監(jiān)測點的數(shù)值作為初始值；④定期檢測并記錄數(shù)據(jù)，與初始數(shù)據(jù)進行差異比對及原因分析，據(jù)此采取相應(yīng)治理措施。

圖 2 閥室管道沉降監(jiān)測裝置布置示意圖

2  基于CAESAR Ⅱ的管道應(yīng)力分析

CAESAR Ⅱ軟件是美國COADE公司開發(fā)的管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，是以梁單元模型為基礎(chǔ)的有限元分析軟件[3]。應(yīng)力分析主要步驟為:數(shù)據(jù)輸入與建模、設(shè)定工況、模型檢查、分析計算等。為開展管道系統(tǒng)應(yīng)力分析、彈簧支架初始載荷設(shè)置和選型、管道沉降監(jiān)測提供依據(jù)。

2.1  數(shù)據(jù)輸入與模型建立

CAESARⅡ采用逐個單元輸入的方法，通常將管道系統(tǒng)劃分成多個單元，每個單元由兩個節(jié)點組成。在“經(jīng)典管道輸入”界面，依次輸入管體尺寸（直徑、壁厚、長度）、操作溫度、設(shè)計溫度、操作壓力、設(shè)計壓力、管材特性（彈性模量、線性膨脹系數(shù)、許用應(yīng)力等）、管件（彎頭、三通、大小頭等）、介質(zhì)密度、腐蝕裕量、外保溫層（厚度、密度等）。參數(shù)輸入完畢點擊“確定”按鈕后就會生成初始管道模型。

2.2  工況定義

一般來說管道工況包含設(shè)計、安裝、試壓、運行等各種工況，每種工況的壓力、溫度等均有差別[4]。為了校驗管道應(yīng)力情況，考慮溫度對閥室管道應(yīng)力影響較小，本文選定冷態(tài)持續(xù)工況（SUS）。

2.3  模型檢查

CAESARⅡ軟件提供模型檢查功能，即計算前用軟件中提供的“數(shù)據(jù)檢查”按鈕，檢查建立的模型是否有錯誤。然后根據(jù)檢查結(jié)果進行更正，直到模型沒有錯誤時進行分析計算。

2.4  土壤模型

管道運動要克服土壤的約束力，土壤模擬的優(yōu)劣直接關(guān)系到應(yīng)力計算結(jié)果的準確性。本文采用Peng理論模擬土壤約束，按照“CAESAR II Basic Soil Model”建立土壤模型[5]。

同上，在參數(shù)設(shè)置界面定義完成土壤參數(shù)后，點擊“Concert Input”，CAESAR II軟件自動將初始模型轉(zhuǎn)換成帶土壤約束的最終模型，如圖 3所示。

圖 3 管道模型示意圖

3  數(shù)據(jù)計算

采用ASME B31.3進行管線應(yīng)力校核，校核準則為：① 管線上各節(jié)點的應(yīng)力值應(yīng)小于許用應(yīng)力；②管線對設(shè)備管口的推力和力矩應(yīng)在允許的范圍內(nèi)；③管線的最大位移量應(yīng)能滿足管線布置的要求。

3.1  管道正常情況下應(yīng)力分析

基于管道最終模型，點擊“Batch Run”進行管道應(yīng)力計算。

管道未發(fā)生沉降的正常情況下，現(xiàn)場布置從左往右4處彈簧支架應(yīng)力的計算結(jié)果見表 1。根據(jù)表 1彈簧受力結(jié)果可選擇安裝合適的彈簧支架，并設(shè)置其初始載荷。

表 1 正常情況下閥室管道彈簧支架受力情況

3.2  左側(cè)地面塌陷且無彈簧支架情況下應(yīng)力分析

假設(shè)該閥室左側(cè)地面塌陷，導(dǎo)致管道基礎(chǔ)下沉，左側(cè)管道支撐失效，在沒有安裝彈簧支架情況下，進行管道應(yīng)力計算。

通過計算發(fā)現(xiàn)，左側(cè)6處管道支撐完全失效情況下，整個管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)力最大點在80#節(jié)點處（即最外側(cè)旁通閥右邊第一個三通處），一次應(yīng)力值已達到許用應(yīng)力的104.7%，超過許用應(yīng)力，存在安全隱患。

3.3  左側(cè)地面塌陷且有彈簧支架情況下應(yīng)力分析

假設(shè)閥室左側(cè)地面塌陷，導(dǎo)致管道基礎(chǔ)下沉，左側(cè)管道支撐失效，但有彈簧支架輔助支撐，進行應(yīng)力計算。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，管道左側(cè)硬支撐失效、但彈簧支架有效支撐情況下，整個管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)力最大點在130#節(jié)點處（即最外側(cè)旁通閥左邊第一個三通處），其一次應(yīng)力值僅達到許用應(yīng)力的39.6%，完全處于安全范圍。此時，前述沒有彈簧支架情況下管道應(yīng)力最大點（80#節(jié)點處）的應(yīng)力值僅為許用應(yīng)力的26.2%，比之前的104.7%下降了78.5%，應(yīng)力顯著降低，消除了安全隱患。

同時，分別計算前述各節(jié)點支撐力（表 2），結(jié)果說明，彈簧支撐力會按照現(xiàn)場情況自動調(diào)整，從而有效降低了管道應(yīng)力。

表 2 左側(cè)地面塌陷時閥室管道彈簧支架受力情況

3.4  管道沉降監(jiān)測效果

（1）在管網(wǎng)系統(tǒng)中加入適量的彈簧監(jiān)測裝置，基于CAESAR Ⅱ計算彈簧支撐力，并據(jù)此指導(dǎo)選型，大大提高了監(jiān)測可靠性。

（2）彈簧監(jiān)測裝置可以配合硬支撐一并使用，當(dāng)發(fā)生地面或管道基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致管道支撐失效時，彈簧支架對管道起到一定的支撐作用，從而降低管道應(yīng)力，消減安全隱患。

（3）通過觀察沉降監(jiān)測裝置上彈簧的伸長量，可以得出管道基礎(chǔ)與管道之間的間距變化。分別在管道基礎(chǔ)和上方管道上設(shè)置沉降監(jiān)測點，并每月進行檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)管道或管道基礎(chǔ)沉降情況，針對管道基礎(chǔ)沉降及時調(diào)整管道支撐高度，針對管道沉降及時采取應(yīng)力消減措施。

4  結(jié)束語

在基于CAESAR Ⅱ應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，提出了在管道系統(tǒng)中安裝帶有位移應(yīng)力監(jiān)測功能的彈簧支架監(jiān)測裝置，在起到降低應(yīng)力、保護管道的作用的同時，監(jiān)測管道基礎(chǔ)與管道位移情況，及時發(fā)現(xiàn)隱患，并采取消減措施，從而保障天然氣管道系統(tǒng)運行安全。

 

參考文獻：

[1]唐永進.壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國石化出版社，2010.

[2]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.石油化工管道柔性設(shè)計規(guī)范：SH/T 3041-2016[S].北京：中國石化工程建設(shè)有限公司，2016：01.

[3]丁清一，崔磊. CAESAR II用于埋地管道應(yīng)力模擬[J].石油天然氣學(xué)報，2010，32（5）：623-626.

[4]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范：GB 50316-2000（2008年版)[S].北京：中國計劃出版社，2000.

[5]PENG L C.Stree analysis methods for underground pipelines[J].Pipeline Industry,1978（5）：65-74.

作者簡介：魏星，1982年生，碩士，高級工程師，主要從事天然氣管網(wǎng)運行與輸配等工作。聯(lián)系方式：18221300020， 20012040@163.com。