油氣輸送管道應力分析及應變設計研究

甄林林　徐繼巖

摘 要：人類進入21世紀，能源的全球供求矛盾呈現日益突出的趨勢。如何保障我國石油安全有效地供給，已經成為我們面臨的巨大挑戰。該文針對油氣輸送管道所受的各種應力的分析，展開了基于應變的油氣輸送管道的設計討論。若想對抗各種應力對油氣輸送管道的損害，需要加強油氣輸送管道強度和韌性。

關鍵詞：油氣輸送管道 應力應變 強度 韌性

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0241-01

管道輸送是油氣運輸中最經濟、最可靠、最便捷的方式。我國早在公元前900年便利用竹筒輸送天然氣，后來英國人采用木管或鉛管輸送天然氣。直至19世紀，煉鐵技術逐漸在歐洲發展開來，人們才利用鐵管技術使天然氣能夠在較長的距離上安全地輸送。長期的生產實踐證實，管道工業發展的歷史也是一部人們對管道斷裂問題不斷認識并與之斗爭的歷史[1]。

1 油氣輸送管道安全性現狀

我國目前的油氣輸送管道長約35000 km，油田內部的輸送管網和城市管網遍布全國各地。大多數的管道已運行多年，有的甚至已運行二三十年，因此管道的安全性令人擔憂。1950年，美國有一條管線在試氣時發生破裂，這是文獻中所查到的最早的管線破裂記錄。迄今為止，我國最大一次管線脆性斷裂事故，是大慶至鐵嶺輸油管線復線在1974年冬季進行試壓時，為防止水結冰而采用氣壓試壓（其實并不符合規范）發生的。至此，隨著我國油氣管道的大規模建設，管道的溫度以及壓力不斷提高，管壁的厚度和管徑不斷加大，新興工藝和新近設備不斷出現，油氣管道的應力分析由此也變得越來越重要。

2 油氣管道的應力分析

2.1 管道應力分析的目的

分析油氣輸送管道的應力時，應保證在設計條件下具有足夠的柔韌性，防止管道因熱脹冷縮、斷點附加位移、管道支撐造成應力破壞問題。（1）使管道的應力在規范的許用范圍內。（2）使管口的荷載符合材料要求標準。（3）解決管道動力學問題。（4）優化管道的布置設計。

2.2 管道應力分析的內容

2.2.1靜力分析

（1）壓力作用而產生的塑形形變。（2）熱脹冷縮、斷點附加位移等產生的疲勞壞損。（3）管道支架受力的計算。

2.2.2動力分析

（1）管道共振分析。（2）控制管道振動和應力。（3）由地震引起的地震應力壓迫。

2.3 常見的管道形變的形式

2.3.1拉伸形變

輸油管道最常發生伸長或縮短的軸向拉伸和壓縮形變，這是由方向相反、大小相等、管道中心軸線與作用線重合的一對外力所引起的。

2.3.2剪切形變

輸油管道之所以會發生剪切形變，是因為有一對方向相反、大小相等、作用線垂直于管軸且距離很近的力作用于管道，其作用方向相對而動。

2.3.3扭轉形變

輸油管道還可因為某種因素發生扭轉形變，此形變是由大小相等、方向相反、作用面垂直于管軸的一對力所引起的。扭轉形變可使管道的兩個橫截面繞管道的中心軸線發生相對轉動。

2.4 應力的分類

由于各種荷載的不同可以引起不同類型的應力，不同類型的應力對損傷破壞管道的影響也不盡相同，因此應將管道所受的應力根據其危險程度進行分類，即危險系數低的應力，其許用值可以寬松一些；危險系數大的應力，要嚴格控制其許用值。根據應力性質的不同，將應力劃分為一次應力和二次應力。

2.4.1一次應力

由于壓力、重力與其他外力荷載的作用所產生的應力，其可以平衡外力荷載所需的應力，隨外力荷載的增加而增加。一次應力沒有自限性，當管道形變達到臨界水平，即使此時不再增加外力荷載，管道仍會產生不可控塑形流動，導致輸油管道破裂受損。

2.4.2二次應力

由于熱脹冷縮、端點位移等作用所產生的應力，其不直接與外力平衡，而是為了滿足位移的約束條件或管道發生的自身形變所必須的應力。二次應力與一次應力有所不同，其具有自限性，即小量形變就可以使位移的約束條件或自身形變達到要求，從而使形變不再繼續擴大。一般條件下，只要不使管道反復受力，二次應力不會導致輸油管道破損。

3 油氣管道的強度與韌性

目前，我國油氣管道工程的發展趨勢是大管徑、高壓輸送和海底管道厚壁化。隨著輸送壓力的增加以及適應寒冷地區管道的使用，對油氣輸送管道的強度、韌性等的要求也隨之升高。因此，除了在生產制備管道方面需要進行工藝的改進、提高管道質量之外，還必須改進傳統的設計方法以滿足油氣管道的輸送發展要求。

在其他條件基本相同時，輸油的成本隨著管徑的增大而降低。在油氣資源豐富、油源有保障的前提下，建設大口徑的管道效益更好。由于輸油管道向大口徑、高壓力的方向發展，因此對管材的要求也日益提高了。為了防止裂斷事故，要求管材有高強度，在材質把關上必須要引起重視。目前輸油管道多采用按照API標準劃分等級的X56、X60、X65號鋼。20世紀70年代退出的X70號鋼，其規定屈服限最小值為482MPa，具有較好的強度和韌性的綜合質量指標，可以在低溫條件下使用，在寒冷地區的實用性較強[2]。由于管道埋在地下，埋地管道與跨越管道所受應力的情況比較復雜，要描述其管道應力—應變情況，必須考慮管道所受應力之間的相互關系。

為保證輸油管道系統的安全可靠，韌性設計也是管道設計的重要指標，足夠強的韌性可以延緩或阻止管道斷裂的進程。輸油管道韌性設計的基本出發點是安全性和經濟性。對于輸油用管，韌脆轉變溫度必須低于試壓或運行中所遇到的最低溫度，該最低溫度應由設計單位提供。對于輸氣用管，除應保證韌脆轉變溫度必須低于試壓或運行中所遇到的最低溫度外，還應保證其沖擊能力[3]。

4 結語

油氣輸送管道的應力分析對于提高油氣管道的設計水平和增加管道以及設備運行的安全有著重要的指導意義。想要優化油氣輸送管道，就涉及到對管徑、管材、壁厚、工作壓力、溫度影響等一系列相應的約束條件。在設計油氣輸送管道前，要對管道的大量數據進行動態規劃、非線性規劃，方能整理出最優化的配置，來提高管道的利用能效。

參考文獻

[1] 潘家華.潘家華油氣儲運工程著作選集第2卷[M].北京：石油工業出版社，2001：148.

[2] 楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].東營：中國石油大學出版社，2006：7.

[3] 王明春.油氣輸送管道應力分析及應變設計研究[D].成都：西南石油大學，2006.