穿越隧道管道极限井深设计探索

中缅油气管道是继中亚油气管道、中俄原油管道、海上通道之后的第四大能源进口通道。原油管道途径各种复杂地形, 对于一些类似于高陡边坡的穿越困难地区, 通常采用隧道斜井穿越的方式, 隧道穿越不占用地面空间, 避开了施工困难区域, 克服了高程和地形障碍, 降低了施工难度, 但在隧道穿越设计时需要重点对其应力安全进行考虑。

国内外对管道进行应力分析通常采用ANSYS和CAESAR II应力分析软件。ANSYS软件的固体模块不仅可以对管道进行静力分析, 还可进行模态或振动分析。采用ANSYS软件对不同斜井长度 (或深度) 的管道进行应力分析, 根据ASME B31.4的应力校核值得出最大应力比率, 通过线性拟合得出公式 (井深与应力比率的关系式) , 设计者可通过公式反算得出极限井深。该方法可为类似的隧道穿越管道设计提供相应参考, 以保障管道的安全运行。

一、输油管道应力分析方法

极限井深的计算分为三步:管道模型的建立、应力校核、公式拟合。

1. 管道模型的建立

建立管道模型之前, 应明确管道穿越隧道的通用模型, 隧道穿越通常有:斜井穿越、竖井穿越和盾构的方式, 斜井穿越采用较多。斜井穿越为一近似对称结构, 隧道进口和隧道出口均需设置固定墩, 管道倾斜段长度即井长, 井长所对应的高度即为井深, 进口和出口水平段覆土, 其余地段 (倾斜段和隧道内水平段) 设置支墩约束, 角α即为斜井的倾斜角, 如图1所示。

极限井深的分析需要求解管道的静力, 由于管道长度较短, 使用ANSYS软件可较为细致的分析管道的应力情况。ANSYS进行静力分析包括两个模块:前处理和后处理。

前处理占据管道建模的主体, 包括实体模型的建立 (分别使用PIPE16单元和PIPE18单元对直管和弯管进行模拟, 定义材料的各项参数) 、网格的划分以及添加载荷和约束。后处理包括通用后处理和时间历程处理, 由于本文针对管道的静力分析, 采用通用后处理即可。

2. 应力校核准则

原油管道通常遵循美国机械工程师协会制定的标准:ASME B31.4《液态烃和其他液体管线输送系统》。应力计算一般应考虑环向应力、纵向应力、剪切应力和当量应力, 同时应考虑到所有管段、约束、支撑、导向及摩擦。通常将应力分为一次应力、二次应力和峰值应力[1]。

管道一次应力指由于外载荷的作用产生的应力, 满足与外加载荷的平衡关系, 且随外加载荷的增加而增加, 无自限性, 即应力值超过材料屈服极限时, 管道将产生塑形变形破坏。输油管道对一次应力的校核, 规定:对于受约束管道, 由于内压和外压产生的压力不应超过材料最小屈服强度的0.72倍。

管道的二次应力通常是由变形所产生的正应力或剪应力, 它具有周期性和自限性, 当局部产生少量塑性变形时, 通过变形协调便可使应力降低输油管道二次应力的校核, 规定:最大位移应力范围不应超过最小屈服强度的0.9倍。

管道的峰值应力是由于载荷、结构形状的局部突变而引起的应力集中的最高应力值, 通常产生在转弯半径、焊缝咬边处。输油管道峰值应力的校核, 规定:输油管道穿越管段的当量应力不得超过钢管规定屈服强度的90%。

3. 公式拟合

将不同斜井长度的输油管道的最大应力比率统计, 并导入Excel软件, 以井长作为横坐标, 以应力比率作为纵坐标, 进行线性拟合。将井长转变为井深 (井深=斜井长度×sinα, 其中α为斜井的倾斜角) 。

二、应力分析实例

1. 工程概况

根据中缅某段隧道穿越管道的设计资料建立管道模型, 管道模型的基础段 (隧道进口水平段) 模型长约30m (覆土) , 管道模型起点设置固定墩1, 管道末端设置固定墩2, 在隧道内全部采用露空与管架支撑形式, 斜井倾斜角为24.5°, 支墩间距为20m, 原油管道弯管的曲率半径为R=10D, D为管道外径, 地区等级为1级。管道采用X70钢管, 泊松比为0.3, 弹性模量为206GPa, 钢管的密度为7850kg/m3, 管道的基础模型如图2所示。管道的具体参数如表1所示[2,3]。

2. 结果分析

对不同斜井长度的管道进行应力分析, 应力校核的对象为管道峰值应力, 最小试验倾斜长度为20m (一个支墩间距) , 每次试验倾斜长度增加20m, 即井深增加8.3m。试验结果如图3所示[4,5,6]。

由图3不难看出, 最大应力比率随斜井长度的增加而增加, 进行线性拟合得出井长与应力比率的函数关系式为y=0.0753x+63.842, 则令y=100 (即令应力比率为100%) , 反算得出极限井长为480.19m, 则可定义:对于该段穿越隧道的原油管道, 其理论极限井长为480.19m, 而理论极限井深为199.13m。

结论

本文使用ANSYS软件模拟与数学线性拟合相结合的方式, 对中缅某段穿越隧道的原油管道进行极限井深的分析, 得出该段穿越隧道原油管道的极限井长为480m, 极限井深为199m。

提出了基于应力的极限井深分析方法, 可按照此种方法穿越隧道的油气管道进行极限设计, 根据得出的公式校核设计值是否在应力安全范围内以保障管道的安全运行, 具有一定的工程价值和实际意义。

摘要：中缅原油管道国内段干线全长约1631公里, 管径穿越隧道60余次。输油管道穿越隧道时, 需重点考虑其应力安全性, 确定隧道的极限井深。基于应力的极限设计原理, 对不同井深的穿越隧道管道进行应力分析, 并根据ASME B31.4标准对管道应力进行校核, 通过线性拟合得出极限井深的计算公式, 该方法可为类似的隧道穿越输油管道埋设井深设计提供参考。

关键词：隧道穿越,输油管道,应力分析,极限井深

参考文献

ASME B31.4-2009, Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbonsand Other Liquids[S].

王春海, 吴醒龙, 郑桂友.天然气输气管道穿越河流设计方案比选.煤气与热力, 2009, 29 (7) :24-27.WANG C H, WU X L, ZHENG G Y.Comparison and Selection of Design Schemes for River Crossing of Natural Gas Transmission Pipeline.GAS&HEAT, 2009, 29 (7) :24-27.

黄坤, 吴世娟, 卢泓方, 等.沿坡敷设输气管道应力分析.天然气与石油, 2012, 30 (4) :1-4.HUANG K, WU S J, LU H F, et al.Stress Analysis of the PipelineLaidAlong the Slope.NaturalGasandOil, 2012, 30 (4) :1-4.

沙晓东, 陈晓辉, 黄坤, 等.输气管道应力影响因素分析.天然气与石油, 2013, 31 (1) :1-4.SHA X D, CHEN X H, HUANG K, et al.Analysis of Oil and Gas Pipelines Stress Influencing Factors.Natural Gas and Oil, 2013, 31 (1) :1-4.

吴晓南, 舒浩纹, 昝林峰, 等.试压工况下盾构隧道内输气管道应力分析.天然气工业, 2013, 33 (3) :1-5WU X N, SHU H W, ZAN L F, et al.Stress analysis of a gas pipeline through shield tunnels under pressure test conditions.Natural gasindustry, 2013, 33 (3) :1-5

吴晓南, 鲜燕, 黄坤, 等.运行工况下隧道内输气管道的应力分析.油气储运, 2012, 31 (12) :927-930WU X N, XIAN Y, HUANG K, et al.The stress analysis of tunnel gas pipeline under operating situation.OIL&GAS STORAGE AND TRANSPORTATION, 2012, 31 (12) :927-930