穿越隧道管道極限井深設計探索

蔡從德(中國石油西南油氣田公司低效油氣開發事業部 610017)

中緬油氣管道是繼中亞油氣管道、中俄原油管道、海上通道之后的第四大能源進口通道。原油管道途徑各種復雜地形，對于一些類似于高陡邊坡的穿越困難地區，通常采用隧道斜井穿越的方式，隧道穿越不占用地面空間，避開了施工困難區域，克服了高程和地形障礙，降低了施工難度，但在隧道穿越設計時需要重點對其應力安全進行考慮。

國內外對管道進行應力分析通常采用ANSYS和CAESAR II應力分析軟件。ANSYS軟件的固體模塊不僅可以對管道進行靜力分析，還可進行模態或振動分析。采用ANSYS軟件對不同斜井長度（或深度）的管道進行應力分析，根據ASMEB31.4的應力校核值得出最大應力比率，通過線性擬合得出公式（井深與應力比率的關系式），設計者可通過公式反算得出極限井深。該方法可為類似的隧道穿越管道設計提供相應參考，以保障管道的安全運行。

一、輸油管道應力分析方法

極限井深的計算分為三步：管道模型的建立、應力校核、公式擬合。

1.管道模型的建立

建立管道模型之前，應明確管道穿越隧道的通用模型，隧道穿越通常有：斜井穿越、豎井穿越和盾構的方式，斜井穿越采用較多。斜井穿越為一近似對稱結構，隧道進口和隧道出口均需設置固定墩，管道傾斜段長度即井長，井長所對應的高度即為井深，進口和出口水平段覆土，其余地段（傾斜段和隧道內水平段）設置支墩約束，角α即為斜井的傾斜角，如圖1所示。

圖1 通用隧道穿越管道模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of general tunnel crossing pipeline

極限井深的分析需要求解管道的靜力，由于管道長度較短，使用ANSYS軟件可較為細致的分析管道的應力情況。ANSYS進行靜力分析包括兩個模塊：前處理和后處理。

前處理占據管道建模的主體，包括實體模型的建立（分別使用PIPE16單元和PIPE18單元對直管和彎管進行模擬，定義材料的各項參數）、網格的劃分以及添加載荷和約束。后處理包括通用后處理和時間歷程處理，由于本文針對管道的靜力分析，采用通用后處理即可。

2.應力校核準則

原油管道通常遵循美國機械工程師協會制定的標準：ASMEB31.4《液態烴和其他液體管線輸送系統》。應力計算一般應考慮環向應力、縱向應力、剪切應力和當量應力，同時應考慮到所有管段、約束、支撐、導向及摩擦。通常將應力分為一次應力、二次應力和峰值應力[1]。

管道一次應力指由于外載荷的作用產生的應力，滿足與外加載荷的平衡關系，且隨外加載荷的增加而增加，無自限性，即應力值超過材料屈服極限時，管道將產生塑形變形破壞。輸油管道對一次應力的校核，規定：對于受約束管道，由于內壓和外壓產生的壓力不應超過材料最小屈服強度的0.72倍。

管道的二次應力通常是由變形所產生的正應力或剪應力，它具有周期性和自限性，當局部產生少量塑性變形時，通過變形協調便可使應力降低輸油管道二次應力的校核，規定：最大位移應力范圍不應超過最小屈服強度的0.9倍。

管道的峰值應力是由于載荷、結構形狀的局部突變而引起的應力集中的最高應力值，通常產生在轉彎半徑、焊縫咬邊處。輸油管道峰值應力的校核，規定：輸油管道穿越管段的當量應力不得超過鋼管規定屈服強度的90%。

3.公式擬合

將不同斜井長度的輸油管道的最大應力比率統計，并導入Excel軟件，以井長作為橫坐標，以應力比率作為縱坐標，進行線性擬合。將井長轉變為井深（井深=斜井長度×sinα，其中α為斜井的傾斜角）。

二、應力分析實例

1.工程概況

根據中緬某段隧道穿越管道的設計資料建立管道模型，管道模型的基礎段（隧道進口水平段）模型長約30m（覆土），管道模型起點設置固定墩1，管道末端設置固定墩2，在隧道內全部采用露空與管架支撐形式，斜井傾斜角為24.5°，支墩間距為20m，原油管道彎管的曲率半徑為R=10D，D為管道外徑，地區等級為1級。管道采用X70鋼管，泊松比為0.3，彈性模量為206GPa，鋼管的密度為7850kg/m3，管道的基礎模型如圖2所示。管道的具體參數如表1所示[2-3]。

圖2 基礎模型示意圖Fig.2 The base model schematic

表1 管道參數Table 1 Pipeline parameter

表2 土壤參數Table 2 Soil parameter

2.結果分析

對不同斜井長度的管道進行應力分析，應力校核的對象為管道峰值應力，最小試驗傾斜長度為20m（一個支墩間距），每次試驗傾斜長度增加20m，即井深增加8.3m。試驗結果如圖3所示[4-6]。

圖3 極限井長與應力比率的關系Fig.3 Relationship between limit well length and the stress ratio

由圖3不難看出，最大應力比率隨斜井長度的增加而增加，進行線性擬合得出井長與應力比率的函數關系式為y=0.0753x+63.842，則令y=100（即令應力比率為100%），反算得出極限井長為480.19m，則可定義：對于該段穿越隧道的原油管道，其理論極限井長為480.19m，而理論極限井深為199.13m。

結論

本文使用ANSYS軟件模擬與數學線性擬合相結合的方式，對中緬某段穿越隧道的原油管道進行極限井深的分析，得出該段穿越隧道原油管道的極限井長為480m，極限井深為199m。

提出了基于應力的極限井深分析方法，可按照此種方法穿越隧道的油氣管道進行極限設計，根據得出的公式校核設計值是否在應力安全范圍內以保障管道的安全運行，具有一定的工程價值和實際意義。

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