高压长输天然气管道站场管线全地上敷设的应力分析

高压长输天然气管道站场管线全地上敷设的应力分析

翟希猛

中航工程集成设备有限公司 北京市 100000

摘要：当前，我国在役高压天然气长输管道站场工艺管线主要采用混合敷设方式。为解决埋地工艺管线在运行中的沉降问题，本文提出了管线的全地上敷设方案。

关键词：天然气管道；站场；全地上敷设；应力分析

目前，我国在役管道站场的管道敷设方式主要是混合敷设，即主管道地上敷设，辅助管道埋地敷设。管线混合敷设通常具有站场美观、巡检方便、工程造价低等优点。然而，随着使用时间的增加，埋地管道的不均匀沉降会引起管道的弯曲变形甚至破裂，其受力情况比普通地面管道更为复杂。为此，本文以某天然气长输管道工程站场工艺管道为研究对象，提出了一种基于节点应力分析的站场管线全地上敷设法。

一、管道应力分析的主要内容

管道系统应力分析主要包括静、动态分析。在静态分析中，主要校核管道在持续、膨胀工况下的应力，在应力超标的管段，通过改变管道走向增加管道柔性，使其满足许用应力范围，并计算操作工况下管道的约束反力及位移，避免管道因过大位移从支墩或管架上滑落。动态分析主要进行固有频率求解，通常取前5阶固有频率，因此时固有频率较小，管道容易产生共振，造成破坏。

二、全地上敷设管道应力分析要点

管道在内压、连续外载、热胀、冷缩等作用下，其最大应力往往超过材料的屈服极限。因此，全地上敷设的天然气管道方案分析主要涉及以下方面：

1、各种载荷来源。主要荷载为一、二次应力载荷，其中，一次应力载荷指内外压、自重、压力脉冲对管道的影响，以及风、地震等外界因素引起的瞬时载荷。二次应力载荷指在管道运行中，因热膨胀、冷紧或管道设备位移引起的应力载荷。

2、静态分析。为防止管道发生塑性变形和疲劳破坏，需进行内压荷载和持续荷载的一次应力分析计算、冷热膨胀位移的二次应力分析计算，并对管道系统与相关设备的相互作用进行受力分析，以保证管道系统和设备的安全运行。

3、动态分析。当管道内流体介质流动不稳定时，若扰动频率达到或接近管系固有频率，就会引起管道共振。当气体高速流动时，会对自由管产生作用力，现象为噪音、振动甚至摆动，其原因是流体和管道高速运动时对管道的摩擦及冲击，因而需优化管道设计，合理安装管道防震支架，尽可能避免管道共振。

三、全地上敷设管道应力分析理论

长输管道中的油气管道应符合GB 50253《输油管道工程设计规范》和《输气管道工程设计规范》规定。国外常用的ASME规范有：①ASME B31.3，工艺管道；②ASME B31.1，动力管道；③ASME B31.4，输油管道；④ASME B31.8，输气管道。当前，ASME B31系列是管道应力分析的主要标准。天然气站场内工艺管道应力可按ASME B31.3-2016工艺管道计算。本规范要求质量、内压与其他持续荷载引起的纵向应力S_L之和不得超过材料在工作温度下的基本许用应力S_h。在ASME B31.3释义中，要求在计算纵向应力时需考虑轴向力影响。一般认为管道纵向应力由附加轴向外力、弯矩、内压引起。

1、一次应力校核。对一次应力校核，ASME B31.3-2016的校核公式为

式中：S_L-质量、内压等持续荷载引起的纵向应力之和，MPa；S_a-内压引起的轴向应力，MPa；S_b-质量、内压等持续荷载引起的弯曲应力，MPa；S_t-质量、内压等持续荷载引起的剪(扭)应力，MPa；S_h-工作条件下相应温度对应的许用应力，MPa。

2、二次应力校核。对二次应力校核，ASME B31.3-2016的校核公式为

式中：S_E-弹性应力，MPa；S_a-位移应变产生的组合轴向应力，MPa；S_b-位移应变产生的组合弯曲应力，MPa；S_t-位移应变产生的组合扭转应力，MPa；S_A-许用弹性应力，MPa。

3、天然气管道推力校核。站场管道正常输送天然气时，流速较低(最大不超过20m/s)，因此不必考虑天然气输送过程对管道的影响，但应考虑天然气放空时管内局部流速过大引起的瞬态力影响。对于闭式排放系统，有必要对配管系统随时间变化的复杂情况进行分析，以获得反作用力及弯矩的实际值。API 520-2015中的公式可用于估算放空时的最大瞬时力。

四、长输天然气站场管道应力校核方法

CAESARⅡ是一个在PC机上运行的管道应力分析软件程序，它不仅能按ASME B31系列等国际标准进行应力校核，而且能按WRC、API和NEMA标准进行对动静设备管口进行受力校核。，因此在石油、化工等行业得到了广泛应用。

CAESARⅡ管道应力计算软件主要用于杆单元模型计算，采用简单梁单元和受力关系模型，定义作用在系统上的荷载，得到用系统位移、荷载、应力表示的结果。梁单元的特点是：无限细杆单元行为由端点位移决定，弯曲变形是主要因素，最后将管道模型转化为力学模型。

CAESARⅡ计算应力结果包括一次应力二次应力，将一二次应力限制在许用应力安全范围内。

五、可行性设计方案实例

1、工程概况和安装方案。某高压天然气长输管道工程各站场地下水位较高，为避免埋地管线严重腐蚀问题，从操作维护方便的角度考虑，本工程更适合全地上低墩敷设的安装方案。以本工程某分输清管站为例，站内工艺管道采用全地上敷设。分输清管站由2座清管器收发装置、2座卧式过滤分离器、3座计量橇、7座调压橇、1座自用气橇、1座地上卧式排污罐组成。主要安装方案为：①进出口、越站、线路放空管线埋地敷设；②放空、排污管线沿设备回路汇集至过滤器出口汇管形成管廊，低墩地上敷设；③放空、排污管线由管卡与管托支撑固定。

2、工程建模参数。建模参数包括：管道设计参数、管道参数、土壤参数。在管道参数设置中，温度选择需遵循以下原则：①安装温度选择站场所在地历年最冷月平均最低温度；②埋地管线计算温度选择介质的最高运行温度；③地上管道计算温度应考虑停输时，太阳辐射对地上管线的影响。

3、应力载荷工况。静力分析需分析站场内全地上敷设的输气管道在运行工况下的应力和位移分布，一般需分析运行工况、持续工况、膨胀工况、水试压工况、偶然工况。

4、分析结果。利用CAESARⅡ软件对分输清管站场内全地上敷设管道设计方案进行荷载工况、输出管道应力、最大位移进行分析。

1)应力分析。全地上敷设管道最大应力分别出现在持续工况、热膨胀工况和水试压工况，应力节点分别为收发球筒排污管和管廊汇管。

2)位移分析。分输清管站站场内的全地上敷设管道在各种工况下的位移量分析包括：横向位移、纵向位移、轴向位移。三个方向的最大位移发生在运行工况，应力节点为汇管、出入土主管线、清管器收发装置。

最终通过软件计算分析，该分输清管站输气管道系统的应力及位移满足相关要求，锚固处、设备约束处、管道约束处应力为相应的基础设计提供了准确的载荷数据，在保证管道与设备安全运行的同时，提供了合理的设计依据。

总结 综上所述，利用CAESARⅡ软件对管道应力进行计算分析，可得到管段应力、位移、锚固墩、设备墩、各管墩受力的准确数据。结果可靠，既保证了管道系统的安全运行，又在此基础上减少了不必要的工程投资，实现了精细化设计。另外，通过对全地上敷设天然气站工艺设备及管道的全地上安装方案的合理设计，以及管道支架的合理选择，利用CAESARⅡ软件进行应力分析模型的搭建及计算，表明高压天然气长输管道站场全地上敷设方案是可行的。与传统的地上+埋地安装方案相比，全地上敷设方案在许多方面具有一定的优势，其对类似工程的设计和建设具有一定的参考意义。

参考文献：

[1]崔志伟.压力管道的应力分析及计算[J].石化技术，2016(01).

[2]刘亮.高压长输天然气管道站场管线全地上敷设的应力分析[J].天然气集输处理，2020(08).