摘 要

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

摘　要：目前輸氣管道的應力分析主要針對普通埋設管道，對隧道內的輸氣管道(尤其是在試壓工況下)的應力分析還比較少，一般情況下管道試壓壓力大于運行壓力。因此，有必要分析試壓工況下穿越輸氣管道的應力分布情況。為此，呆用CAESARⅡ建立了試壓工況下XX豎井盾構隧道穿越管道的應力分析模型，得到了穿越管道的應力分布情況，確定了應力關鍵點，校核了管道強度，通過實例分析發(fā)現(xiàn)管道應力的最大值在管道的彎管處。一次應力、二次應力和管道自重引起的應力對比分析結果表明，在試壓壓力較高的情況下，內壓是產生管道應力的主要因素，而溫度、管道自重對管道應力的影響很小。最后建議：在穿越管道的設計中應進行試壓工況下的應力分析，以便找出應力集中點，采取相應的工程措施，保證穿越管道的安全運行。

關鍵詞：盾構隧道  穿越  輸氣管道  試壓  應力  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

目前油氣管道設計常常依靠經驗參數(shù)，隧道內管道應力分布情況不清楚，因此，不能保證管道的安全運行^[1]。此外，除了設計不合理、施工質量問題、管道腐蝕失效、管道疲勞失效等原因外，構成油氣管道安全運行風險還有一個重要的因素是管道穿越時特殊管段由于應力集中而不能滿足強度要求，從而產生失效破壞^[2-3]。

管道試壓是管道施工的重要工序，是對管道施工質量、材料性能、管道整體性能的一次綜合檢驗，也是對管道工程在生產中能否在設計壓力下安全運行的一次檢驗。通過管道強度試壓可以驗證管道的整體強度，檢驗其能否承受生產運行的壓力，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計規(guī)范—穿越工程》6．2．1的規(guī)定，大、中型水域、鐵路及Ⅱ級以上公路的穿越管段，必須獨立進行強度試壓和嚴密性試驗，合格后再同相鄰管段連接。

1　管道應力分類及校核標準

1．1　管道應力分類

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

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

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

1．2　校核標準

輸氣管道穿越工程應單獨進行試壓，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計規(guī)范——穿越工程》6．2．2的規(guī)定，油氣輸運管道的穿越管段試壓介質、試壓壓力和試壓時間分別按現(xiàn)行國家標準GB50253和GB50251規(guī)定執(zhí)行^[6]。大、中型穿越管段的強度試驗壓力按下式計算。

 

式中鄉(xiāng)R_t為強度試驗壓力，MPa；d為鋼管沒計壁厚，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《輸氣管道下程設計規(guī)范》10．2．3的規(guī)定：用水作為試壓介質時，每個管段的自然高差應保證最低點環(huán)向應力不大于0.9s_s，水質為無腐蝕性潔凈水；試壓宜在5℃以上的環(huán)境溫度下進行，否則，應采取防凍措施；注水宦連續(xù)，排除管線內的氣體；水試壓合格后，必須將管段內積水清掃干凈。

試壓工況下輸氣管道內介質溫度可以選為自然水常年平均溫度20℃。

國外應用得較為廣泛的管道應力分析軟件是CAESARⅡ，其理論采用梁單元的有限元方法，在其管道應力校核方法上，主要遵循的是ASMEB31.8的相關規(guī)定^[7-15]。本文使用CAESARⅡ軟件對管道進行應力分析。

2　試壓工況下管道應力分析模型

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

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)、基本許用應力等)、管道尺寸(直徑、壁厚、長度)、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，整個管道系統(tǒng)劃分成多個單元，每個單元由兩個節(jié)點組成。

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)場實際情況將固定墩約束的力學模型設定為不能發(fā)生位移的全固定約束，但能承受彎矩、剪力、軸力；支墩約束的力學模型設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力計算工況及二次應力計算工況。

依據(jù)ASMEB31.8《氣體運輸和分配系統(tǒng)的管道標準》，隧道內管道處于較為封閉的環(huán)境，并有支墩、錨固墩和支吊架，所以靜力分析時主要校核自重(W)、內壓(聲)和溫度(T)的應力。

試壓條件下應力影響因素的疊加計算：

L₁ = W + T + p

式中L₁為計算管道系統(tǒng)對邊界的推力。

一次應力計算工況下的載荷疊加計算：

L₂ = W + p

式中L₂為管道系統(tǒng)中各點的一次應力值。

二次應力計算工況下的載荷疊加計算：

L₃= L₁ – L₂

式巾L₃為管道系統(tǒng)中各點的二次應力值。

檢查無誤后，軟件即開始對所建立的模型進行靜態(tài)分析。

3　實例模型建立及應力分析

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計規(guī)范穿越工程》6．2．2計算得到管道的試壓壓力為21.2MPa，試壓介質為清水，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隧道穿越管道設計資料，隧道穿越的總長度為2246.7m，隧道內全部采用露空與管架支撐形式，在隧道進口和出口處分別設置錨固墩l和錨固墩3，用以截斷隧道外管道對隧道內管道的影響。隧道進口豎井深度為26.87m，支吊架2個(第1個支吊架距隧道進口處5.4m)，2個支吊架間距為2.816m；平巷長度為2160m，平巷內設置支墩，支墩間距為l2m，共設置支墩l81個；隧道出口豎井深度為18.32m，支吊架l個(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)計算得到試驗壓力(p_t)為21.2MPa。XX隧道豎井盾構穿越輸氣管道具體布局如圖1所示。

 

3．2　實例模型

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)點號按順序標記各管墩和彎管，輸入載荷分量數(shù)據(jù)(重量、熱工況等)，再把點應力值直接附加到輸氣管道各節(jié)點上(圖2、3)。

 

 

3．3　應力分析

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

 

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

圖4為試壓工況下應力比率的變化情況，從圖4可以看出：

 

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

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

3)一次應力占管道綜合應力的97.12％，故占管道應力的大部分。同時，在管道自重對一次應力影響的校核中，管道自重占一次應力的8.9％，所占比例較小。因此，管道內壓是產生一次應力的主要因素。在一次應力校核中發(fā)現(xiàn)應力集中點在管道彎管3處，由于一次應力反映的是管道內壓和管道以及管內介質的自重對管道應力的影響，因此，在試壓工況下，影響管道應力的最主要因素是管道內壓。

4　結束語

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

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

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

 

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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：兩南石油大學石油工程學院

  中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司