魏星1 浦哲2 邱俊2

1.上海天然氣管網有限公司； 2.上海市特種設備監督檢驗技術研究院

摘要：由管道沉降造成的應力集中是管道失效的常見形式。而管道支撐不當或失效是導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進行應力分析，在管道下方設置彈簧監測裝置，結合定期應力檢測，盡早發現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，以有效降低管道應力，消除隱患，保障管道安全。

關鍵詞：CAESAR Ⅱ軟件；管道支撐；應力分析；管道沉降監測

由管道沉降造成的應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或失效[1]，目前管道或設備底部大部分采用管道基礎+管道支撐（硬支撐），由于地面沉降會導致管道與某些管道支撐之間產生間隙。這時原有支撐力消失，管道產生應力集中或位移，超過一定限度可能失效引發泄漏或爆炸[2]。因此，探討管道沉降監測非常必要。

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

1  管道沉降現狀及監測

該閥室管道沉降情況如圖 1所示，部分管道基礎脫空，支撐失效，管道應力增大。現場采取應力釋放、并重新制作管道基礎、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狀

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

圖 2 閥室管道沉降監測裝置布置示意圖

2  基于CAESAR Ⅱ的管道應力分析

CAESAR Ⅱ軟件是美國COADE公司開發的管道應力分析專業軟件，是以梁單元模型為基礎的有限元分析軟件[3]。應力分析主要步驟為:數據輸入與建模、設定工況、模型檢查、分析計算等。為開展管道系統應力分析、彈簧支架初始載荷設置和選型、管道沉降監測提供依據。

2.1  數據輸入與模型建立

CAESARⅡ采用逐個單元輸入的方法，通常將管道系統劃分成多個單元，每個單元由兩個節點組成。在“經典管道輸入”界面，依次輸入管體尺寸（直徑、壁厚、長度）、操作溫度、設計溫度、操作壓力、設計壓力、管材特性（彈性模量、線性膨脹系數、許用應力等）、管件（彎頭、三通、大小頭等）、介質密度、腐蝕裕量、外保溫層（厚度、密度等）。參數輸入完畢點擊“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]。為了校驗管道應力情況，考慮溫度對閥室管道應力影響較小，本文選定冷態持續工況（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“數據檢查”按鈕，檢查建立的模型是否有錯誤。然后根據檢查結果進行更正，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，土壤模擬的優劣直接關系到應力計算結果的準確性。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，在參數設置界面定義完成土壤參數后，點擊“Concert Input”，CAESAR II軟件自動將初始模型轉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  數據計算

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

3.1  管道正常情況下應力分析

基于管道最終模型，點擊“Batch Run”進行管道應力計算。

管道未發生沉降的正常情況下，現場布置從左往右4處彈簧支架應力的計算結果見表 1。根據表 1彈簧受力結果可選擇安裝合適的彈簧支架，并設置其初始載荷。

表 1 正常情況下閥室管道彈簧支架受力情況

3.2  左側地面塌陷且無彈簧支架情況下應力分析

假設該閥室左側地面塌陷，導致管道基礎下沉，左側管道支撐失效，在沒有安裝彈簧支架情況下，進行管道應力計算。

通過計算發現，左側6處管道支撐完全失效情況下，整個管網系統應力最大點在80#節點處（即最外側旁通閥右邊第一個三通處），一次應力值已達到許用應力的104.7%，超過許用應力，存在安全隱患。

3.3  左側地面塌陷且有彈簧支架情況下應力分析

假設閥室左側地面塌陷，導致管道基礎下沉，左側管道支撐失效，但有彈簧支架輔助支撐，進行應力計算。

結果發現，管道左側硬支撐失效、但彈簧支架有效支撐情況下，整個管網系統應力最大點在130#節點處（即最外側旁通閥左邊第一個三通處），其一次應力值僅達到許用應力的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力最大點（80#節點處）的應力值僅為許用應力的26.2%，比之前的104.7%下降了78.5%，應力顯著降低，消除了安全隱患。

同時，分別計算前述各節點支撐力（表 2），結果說明，彈簧支撐力會按照現場情況自動調整，從而有效降低了管道應力。

表 2 左側地面塌陷時閥室管道彈簧支架受力情況

3.4  管道沉降監測效果

（1）在管網系統中加入適量的彈簧監測裝置，基于CAESAR Ⅱ計算彈簧支撐力，并據此指導選型，大大提高了監測可靠性。

（2）彈簧監測裝置可以配合硬支撐一并使用，當發生地面或管道基礎沉降導致管道支撐失效時，彈簧支架對管道起到一定的支撐作用，從而降低管道應力，消減安全隱患。

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

4  結束語

在基于CAESAR Ⅱ應力分析基礎上，提出了在管道系統中安裝帶有位移應力監測功能的彈簧支架監測裝置，在起到降低應力、保護管道的作用的同時，監測管道基礎與管道位移情況，及時發現隱患，并采取消減措施，從而保障天然氣管道系統運行安全。

 

參考文獻：

[1]唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2010.

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

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

[4]國家質量技術監督局，中華人民共和國建設部.工業金屬管道設計規范：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運行與輸配等工作。聯系方式：18221300020， 20012040@163.com。