油气管道应力影响因素分析-天然气与石油.docVIP

输气管道应力影响因素分析 黄坤1苏庆伟1卢泓方1吴世娟1胡镁林2施权1肖婷3 (1.西南石油大学石油工程学院，四川 成都 610500； 2. 云南中石油昆仑燃气有限公司，云南 昆明650216； 3. 陕西科技大学轻工与能源学院，陕西 西安 710021) 摘要：长输管道沿线地形复杂多变，由于管道自重、内压、温度等因素，导致管道环向应力、温度应力等应力的应力值易超过管材的许用应力，发生管道的失效破坏，故研究输气管道在运行过程中的应力影响因素显得尤为重要。为了研究温度、压力对不同管径管道应力的影响，使用管道应力分析软件CAESAR II对不同管径的输气管道进行应力分析，分析不同压力、温度下各管径管道的平均应力情况，得出随着管径的增加，温度对管道应力的影响逐渐增大，压力对管道应力的影响逐渐减小。为管道的设计提供一定的安全依据，具有相应的工程价值。 关键词：输气管道；应力；管径；温度；压力；CAESAR II 文献标识码：A 0 前言 天然气根据输量要求要建立不同管径的管道，以满足工业生产的需要，而管道安全也愈来愈受到重视。研究表明，不同管径的管道承受载荷的能力不同，由压力、温度等因素引起的应力改变也不尽相同，故有必要对不同管径的应力影响因素进行分析，从而使管道设计更加合理和安全。本文使用应力分析软件CAESAR II对不同管径的管道进行应力分析，通过改变温度和压力，得出不同管径管道应力的主要影响因素,为管道的设计和施工提供安全依据[1]。 1 输气管道应力分析 1.1管道受力情况 管道的基本应力包括环向应力、轴向应力、剪应力和径向应力，如图1所示。环向应力由内压引起，方向垂直于轴向，平行于管壁圆周的切线。轴向应力是平行于管轴的正应力，包括由作用于管子轴力引起的轴向应力、由内压引起的轴向应力以及弯曲引起的轴向应力。剪应力是作用在与材料晶体结构平面相平行的方向，并且可能使晶体相毗邻的平面相互产生滑动趋势的多种载荷。径向应力由内压引起，方向平行于管子半径[2]。 图1 管道应力示意图 1.2校核标准 根据应力基本特征，将应力划分为一次应力、二次应力和操作应力。其中一次应力是由外载荷作用而在管道内部产生的正应力或剪应力，无自限性，主要引起塑性破坏。二次应力是由于管道的变形受约束而产生的正应力或剪应力，具有自限性和局部性，主要引起疲劳破坏。操作应力是由于载荷、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值，它是脆性断裂和疲劳破坏的原因。 为了保证管件的强度安全，危险点处最大工作应力不允许达到(或接近)材料的极限应力。因此，在设计构件强度时，不能以操作应力是否到达极限应力值来判断构件是否安全，而应在管件极限应力的范围内，规定一个许用应力作为衡量构件是否满足强度要求的依据，，其中值为不同地区强度设计系数，为焊缝系数。管道由于热胀冷缩、曲率发生突变、端点附加位移或受到约束，会产生相应的轴力、剪力、弯矩和扭矩，一般应力计算后需要进行一次应力、二次应力和操作应力的校核。管道一次应力不得超过设计温度下管材的许用应力即；管道二次应力不得超过许用应力范围即；操作应力即与之和应满足[3]。 式中 ——管材的许用应力，MPa； ——由压力引起的纵向应力与重力、风荷载等外载在管道中产生的纵向弯曲应力之和，MPa； ——二次应力，MPa； ——许用应力范围； ——管材在20时的许用应力，MPa； ——管道材料标准中规定的最小屈服强度，MPa； ——载荷变化引起的弯曲应力范围； ——操作应力，MPa； ——预期寿命内，考虑循环总次数影响的许用应力范围减少系数。 CAESAR II软件的校核方法依据美国ASME B31.8 Gas Transportation and Distribution Piping Systems其对管道应力的分类、校核及执行标准都与国内管道设计规范要求相类似，不同的是管道校核许用应力采用的是管材许用应力值的90%[4]。 2使用通用管道应力分析软件CAESAR II对管道进行应力分析，模型的建立包括管系输入、覆土模型的建立及定义组合工况[5]。 管系输入是进行静力分析的基础，包括输入管道参数、空间走向、外界条件、管材参数、约束条件及管内介质参数。管系输入从节点10开始。 覆土模型的建立包括输入土壤密度、摩擦系数、压实系数、土壤埋入深度、入土点与出土点的选择及定义各管段的土壤模型等。 研究温度、压力对不同管径管道应力的影响，忽略风载、地震等因素，只考虑自重、温度和压力，故管道的操作应力工况组合为：，操作工况是指载荷、结构形状的局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值； 式中 W——自重载荷； T——温度载荷； P——压力载荷。 3为了探究温度、压力对不同管径管道应力的影响情况，选取一系列管径的管道，通过改变管道运行的温度和压力，对比