埋地熱油管道彎管處應力破壞研究

李雷雷 姜文全 劉洋 任建民 李依

摘 要：近年來，埋地熱油管道彎管漏油事件時有發生，反映出管道的原始設計、施工等方面存在不足。為使埋地熱油管道安全穩定運行，在給定位移載荷的作用下，對彎管各部位的應力的變化情況進行模擬分析，得出了導致彎管失效漏油的過大應力位置和彎管角度對應力的影響，并提出了改進措施，從而為防止發生埋地管道泄漏事故的研究奠定基礎。

關 鍵 詞：埋地管線；彎頭；應力；有限元方法；失效

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1519-03

Study on Stress Failure of Elbow of Buried Heated Oil Pipeline

LI Lei-lei，JIANG Wen-quan，LIU Yang，REN Jian-min，LI Yi

（Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001， China）

Abstract： In recent years， the leakage accident of elbow of buried oil pipeline oil occurs frequently， which reflects that the original design， construction and other aspects of pipeline are defective. In this paper， in order to ensure safe and stable operation of buried oil pipeline， under the action of a given displacement load， the change of the stress of each part on the elbow was simulated， the excessive stress position to cause failure of oil pipe was determined as well as effect of bend angle on the stress， and improvement measures were put forward so as to prevent the buried pipeline leakage accidents.

Key words： Buried pipe； Elbow； Stress； Finite element method； Failure

近幾年，埋地輸油管線泄漏事故時有發生，反映出該管道的原始設計、施工等方面存在某些薄弱環節[1]。為使埋地熱油管道安全穩定運行，必須對該管道的應力狀態進行評估[2-4]。結合現場條件，對彎頭在給定位移載荷（應變載荷）的作用下，對不同截面位置處的應力-應變進行了測試，同時采用ANSYS模擬手段對彎管各部位的應力的變化情況進行了分析，得出了導致彎管失效漏油的可能原因，從而達到防止類似事故的再次發生。

1 熱應力理論基礎

1.1 傳熱理論

由熱力學第一定律得：

式中：Q—熱量；

W—作功；

—系統內能；

—系統動能；

ΔPE—系統勢能。

熱油管道系統中：ΔKE=ΔPE=0； ， 則： ；對于穩態熱分析： ，即流入系統的熱量等于流出的熱量。

熱傳導遵循付里葉定律： ，式中 為熱流密度（W/m2）， 為導熱系數（W/m-℃），“-”表示熱量流向溫度降低的方向。

1.2 管道應力理論Δ

在極坐標系中，應力平衡方程為：

對于各向同性的管道材料， 平面應力條件下的物理方程為：

幾何方程為：

相容方程：

熱油管道及保溫層的應力狀態滿足以上四個平面彈性問題基本方程[7]。

2 整段管道熱應力分析

應用ANSYS軟件，對圖1（a）中埋地管道進行結構熱應力耦合分析。其中錨固墩簡化成固定約束，管線內表面溫度為80 ℃，其熱膨脹系數為1.2×10-5/℃；保溫層外表面溫度為10 ℃，其熱膨脹系數為18×10-5 ℃；管道與保溫層之間主要以熱傳導傳熱，土壤影響簡化為保溫層外表面約束。施加以上邊界條件對該段管道模擬得到應力分布云圖（見圖1（b）），結果表明：在熱-結構耦合作用下，埋地熱油管道彎管出應力值偏高，最高應力值達到262 MPa，小于管材的屈服極限320 MPa，理論上彎管不會泄漏。

（a）埋地熱油管道施工圖

（b）熱油管道模擬圖

圖1 埋地熱油管道圖

Fig.1 Graph of buried hot oil pipeline

3 熱膨脹推力對不同角度彎管的應力影響

通過以上對整段管道進行應力分析及結合管道破壞現場資料可知，在彎管上的應力大于管道其他位置的應力，并且管道現場小角度彎管偶有漏油現象發生。為找到彎管泄漏真實應力，在熱膨脹推力作用下對不同角度彎管模擬分析。

3.1 彎管應力分析模型

依據現場實測彎管的結構尺寸進行建模，采用solid45號單元，沿壁厚方向分成3個單元，長度方向單元長度為10 mm，環向方向單元長度為5 mm，單個管線大約劃分了35 000個單元，節點大約50000個。其邊界條件為下端面固定，在上端面施加位移載荷。在劃分網格之前在前述測應變的彎管位置預先設置截面，方便后續提取數據。為進行模擬管道熱膨脹所產生的推力對彎管應力的影響，分別模擬90°、120°、150°彎管鉛直壓縮過程，總壓縮量為100 mm，將總載荷分成6步進行計算；求得1#、2#、3#位置的軸向和周向應力分布狀態及最大應力值。（見圖2）。

（a）90°彎管 （b）120°彎管 （c）150°彎管

圖2 模型網格劃分

Fig.2 Grid model division

3.2 彎管應力分析結果及討論

對90°、120°、150°彎管施加載荷及邊界條件，模擬加載到1、3、6步時，分別提取不同角度彎管上個截面的軸向和軸向應力（見表1）。

通過以上數據分析可知，彎管上的軸向應力總大于周向應力，最大應力出現在彎管的肘部（即2#截面處），其外表面為最大拉應力，內表面為最大壓應力；在彈性范圍內對不同角度彎管間每一步的應力比較得出，90°彎管上的肘部應力值最大，其次120°彎管，150°彎管最小。可見，在熱膨脹所產生的推力作用下，彎管肘部出現最大彎曲應力，彎曲應力隨彎管角度的增加而減小。

4 改進措施

4.1 小急彎改大慢彎

當管道走向發生改變時，在場地允許的情況下，采用大曲率半徑彎管（相當于同一曲率下的多個大角度彎管構成的小角度彎管）來改變管道走向，從而降低彎管肘部最大應力值，即改小急彎為大慢彎。

表1 不同角度彎管各截面最大應力值

Table 1 The maximum stress value of each cross-section of elbow with different angle

彎管角度 位置 加載步 軸向最大應力/MPa 周向最大應力/MPa

90° 1# 1 33.2 7.22

3 114 26.1

6 284 84.2

2# 1 39.2 5.62

3 137 20.3

6 378 60.3

3# 1 1.08 11.8

3 2.24 38.8

6 33.2 7.22

120° 1# 1 44.6 12.7

3 154 45.4

6 401 126

2# 1 48.8 7.26

3 170 26.4

6 458 79

3# 1 3.04 11.3

3 11.4 39.6

6 31.6 111

150° 1# 1 45.5 9.65

3 159 35.2

6 275 115

2# 1 44.5 12.1

3 197 55.4

6 458 115

3# 1 7.57 11.5

3 42.0 43.1

6 75.7 112

4.2 彎管肘部局部加強

為減小彎管上的應力，將圖1中的彎管外用等壁厚彎管加強，模擬得到圖3 埋地管道彎管處加強后的應力分布云。比較圖1和圖3的彎管被加強前后應力分布，彎管上的應力有明顯的減小，120°彎管上的最大應力由原來的203 MPa減小為116 MPa，150°彎管上的最大應力由原來的262 MPa減小為145 MPa。由此可見通過對彎管肘部厚度的增加，可以提高該位置的強度，從而降低彎管肘部的應力值。

4.3 合理改變錨固墩位置

通過合理地改變錨固墩的位置可改變錨固墩對管道及彎管所產生的推力，從而降低彎管處的彎曲應力。

圖3 埋地管道彎管處加強后的應力分布云圖

Fig.3 Strengthened stress cloud picture of buried pipeline elbow

5 結 論

通過埋地熱油管道整體及彎管部位應力分析，得出如下結論：

（1）管道在設計之初總體應力水平并不超標，到在彎管部位應力值偏高。

（2）在熱膨脹所產生的管道推力作用下，同一曲率半徑下的不同角度彎管肘部的大應力值明顯不同，小角度的彎管肘部的應力值大。

（3）通過改變彎管角度，使“小急彎”改成“大慢彎”，增加彎管厚度及合理布置錨固墩等措施，可降低彎管處的應力極值，從而減少或避免管道中彎管處泄漏的可能。

參考文獻：

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