埋地天然氣管道應力變形分析

韓志鵬

摘 要：利用有限元法對埋地天然氣管道的應力和變形進行了分析，考慮到實際施工過程，提出利用單元生死技術實現回填土分層加載，模擬管溝的回填過程。分析得出管壁內側管頂處和管壁外側管側處受到最大拉應力作用，是管道的2個危險點；與公式法相比，利用有限元法計算管道的變形更接近實際情況。

關鍵詞：天然氣 埋地管道 應力 變形

中圖分類號：TQ325 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0111-01

埋地管道被廣泛用于輸送油、氣、水等介質，在國民經濟中占有重要的地位，具有投資巨大，安全性高等特點。埋地管道作為—種特殊的地下結構，其周圍土壤不僅作為載荷作用在管道上，而且約束著管道的移動和變形。因此，在管道設計中必須考慮管道的相互作用，才能更真實地反映埋地管道的受力狀態。本文利用有限元分析軟件ANSYS，對某天然氣管道的應力和變形進行分析，分析中考慮了施工過程對管道應力和變形的影響，并討論了覆土深度與管道應力和變形之間的關系。

1 有限元模型的建立

埋沒于地下的管道可以看做是置于彈性介質中的1根無限長梁。因此，可以取垂直于管道縱軸線的任意截面作為平面應變問題進行處理。本文對地基為軟基、土弧中心角為90°、覆土深度為8 m、無內壓工作條件下的管道進行了分析。有限元模型單元類型選擇PIANE82單元，具有較高的計算精度。

1.1 材料屬性

管道材料為20#鋼，外徑168.3 mm，壁厚6.4 mm，在載荷作用下變形較小，所以按線性材料計算。ANSYS提供的DP材料，使用DP屈服準則，在巖石、土壤的有限元分析中，能夠得到較為精確的結果，所以土壤采用非線性DP材料。由于原狀土處于自然平衡狀態，故不計容重。

1.2 邊界條件及載荷

為了減小外部邊界條件對管道應力的擾動影響，取管道周圍一定范圍內的土壤作為結構的一部分進行分析，底部用鉸支承固定，兩側用錠桿支承，使之只能發生垂直位移，而不發生水平位移。考慮實際施工情況，利用ANSYS單元生死技術模擬管溝回填過程，實現分層加載。

2 計算結果及分析

2.1 應力分析

經過求解計算，得出管壁內側、外側環向應力：管壁內側管頂處拉應力最大，沿管周方向，拉應力逐漸變為壓應力，在管側壓應力達到最大，隨后壓應力又轉變成拉應力，并在管底達到最大；管壁外側管側處拉應力最大，沿管周方向，拉應力逐漸變為壓應力，在管頂壓應力達到最大。（如圖1）

分析表明：管壁內側管頂處和管壁外側管側處是管道的2個危險點，設計時只需考慮這2點的應力能否滿足要求即可。隨著覆土深度的增加，管壁內側管頂處和管壁外側管側處的應力變化如圖1。可以看出：隨著覆土深度的增加，2點的應力值都逐漸增加；在覆土深度小于5 m時，最大拉應力出現在管壁內側管頂處；當覆土深度大于5 m時，最大拉應力出現在管壁外側管側處。

2.2 變形分析

利用有限元法和常規的公式法得出的管道變形與覆土深度的關系曲線如圖2。

由圖2可見：隨著覆土深度的增加，2種計算方法得到的管道變形都逐漸增大，但有限元法計算的管道變形量低于公式法的計算值；在覆土深度較小時，二者的值比較接近，隨著覆土深度的增加，二者的值相差越來越大。主要原因是公式法將管頂土體作為外加載荷1次作用在管道上，管頂豎向土壓力與覆土深度成正比，這不能完全反映實際情況；而有限元法把土體處理成非線性材料，考慮了管道、回填土和地基的相互作用，比較接近實際情況。因此，在覆土較淺時2種方法的計算結果較接近，覆土較深時二者的計算結果相差較大。

3 結論

（1）管壁內側管頂處和管壁外側管側處受到最大拉應力作用，是管道的2個危險點。

（2）比較有限元法和公式法對的管道變形值的分析計算可知，利用有限元法計算管道的變形更接近實際情況。

參考文獻

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