埋地輸油管道“Ω”形自然補償器的熱力耦合分析

李勐

摘 要：埋地輸油管道在溫度等荷載的作用下會產生較大的應力，作為管道必不可少的組成部分，自然補償器有著分散管道過大應力的作用。基于非線性有限元方法，建立了“Ω”形自然補償器的模型，用殼單元模擬管道，用非線性土彈簧模擬了管土相互作用。參考實際工程數據，分析了彎頭回轉角度對管道最大應力的影響，并討論了不同溫差與內壓下自然補償器對管道應力的降低作用。分析得到，使用90°的“Ω”形補償器較為合理，內壓較小時，補償器能夠更好的降低管道的應力水平。研究結果可為長輸管道結構設計提供一定的參考。

關 鍵 詞：“Ω”形；自然補償器；回轉角度；有限元模型

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1538-03

Thermal Coupling Analysis of “Ω” Nature Compensator for Buried Pipelines

LI Meng

（College of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract： The stress of the buried oil pipeline will increase under temperature load. As an indispensable part of the pipeline， the nature compensator has the function of dispersing the tress of pipeline. Based on the nonlinear finite element method， using the shell element to simulate the pipe， employing nonlinear soil springs to simulate the constraint effect of soil on the pipeline， the model of “Ω” form natural compensator was established. Referring to the actual engineering data， influence of pipeline internal pressure， temperature and the turning angle of the elbow on the maximal stress and the safety coefficient was analyzed. The results show that 90°turning angle of the elbow is relatively reasonable， can effectively release the excessive stress.

Key words： “Ω” form； Natural compensator； Turning angle； Finite element model

隨著我國石油行業的迅速發展，石油管道的建設規模逐步加大。輸油管道在熱應力的作用下會發生一定程度的膨脹，從而影響管道的穩定性導致破壞[1]。埋地輸油管道自然補償器作為埋地彎頭的一種復雜形式，具有結構簡單、穩定、成本低的特點[2]，被廣泛地應用于熱力輸油管道之中，用來減少并釋放管道受熱膨脹產生的應力和應變。其中“Ω”形自然補償器相對于傳統“U”形自然補償器有著耐壓程度更高，疲勞壽命更長，穩定性更好的特點[3]。

本文基于非線性有限元方法，針對埋地輸油管道“Ω”形自然補償器工作狀態下的熱應力進行了分析。有限元模型使用殼單元模擬輸油管道，用離散非線性土彈簧模擬土壤對管道的約束作用。考慮輸送壓力、溫度荷載、管道與彎頭尺寸對補償器溫度應力的影響，對“Ω”形自然補償器的工程應用有著一定的參考價值。

1 數值模型

1.1 管材模型

使用三線性模型描述管材應力應變關系，本文以X52管材為例進行研究。參考GB50470-2008《油氣管道抗震設計規范》[4]，管材彈性模量為 MPa，屈服強度為407 MPa，塑性模量為711 MPa，抗拉強度為455 MPa，抗拉強度對應的極限應變為6.9%，泊松比為0.3，熱膨脹系數為 。

1.2 管土相互作用模型

利用土彈簧來模擬土壤對管道的約束作用，根據Peng LC[5]提出的土彈簧計算方法，土壤約束被描述為管道軸向和側向的土彈簧，土彈簧存在彈塑性本構，其主要參數為軸向與側向的極限抗力及軸向與側向的屈服位移。本文中所有案例使用外徑508 mm管道，周圍土壤為砂土，管道中心線埋深1.5 m，土壤內摩擦角30°?？梢杂嬎愕玫酵翉椈蓞等绫?所示。

表1 管土作用參數取值

Table 1 Parameters of pipe soil interaction

參數類型 參 數 參數取值

土壤參數 軸向土彈簧極限抗力/（kN·m-1） 30

軸向土彈簧屈服位移/m 0.003

側向土彈簧極限抗力/（kN·m-1） 400

側向土彈簧屈服位移/m 0.02

1.3 有限元建模

本文以“Ω”形自然補償器為研究對象，不考慮固支墩的影響[6]?！唉浮毙巫匀谎a償器包括兩側的直管段和中間的“U”形彎頭段兩部分。根據載荷和幾何模型的對稱性，可以取管道的1/2模型利用ANSYS軟件進行有限元建模[7]，管道使用四節點殼單元SHELL181模擬，橫向與軸向土彈簧分別使用非線性單元COMBIN39模擬。管道環向共劃分24個單元，左側直管段管道軸向每2 m劃分一個單元，中間“U”形彎頭段管道軸向每0.5 m劃分一個單元，彎管段管道軸向15個單元。建模時，先生成管道節點和管道模型，再通過復制管道節點生成土壤節點，最后利用COMBIN39單元將管道節點和土壤節點連接模擬管土相互作用[8]。在添加邊界條件時，對所有土壤節點全約束，對管道只約束管道兩端的軸向位移。約束添加后，對管道施加荷載分析其應力響應，分析結果示意圖如圖1。

圖1 埋地管道自然補償器應力分布云圖

Fig.1 Stress distribution of buried pipeline nature compensator

2 結果分析與討論

結合勝利油田某管線自然補償器的技術參數，選取不同的工況，分析不同管道內壓、內外溫差以及補償器彎頭回轉角度對自然補償器最大Mises應力的影響。

2.1 無補償器管道最大Mises應力

在6 MPa的內壓下，管道基本工況取管道直徑為508 mm、壁厚為6.2 mm時，管道的環向應力為：

（1）

假設管道不可伸長，在60 ℃的溫差下，其軸向應力為：

（2）

忽略管道的徑向應力，其最大Mises應力為[9]：

（3）

此時直管道受到較大的應力，可能導致結構失穩[10]。為了減小管道所受應力、提高安全性，設置自然補償器是很有效的一種措施。

2.2 有補償器管道最大Mises應力

2.2.1 管道內外溫差的影響

圖2給出了自然補償器最大Mises應力隨管道內外溫差的變化關系。其中管道基本工況不變，中間直管段長度L1與右側直管段長度L2均為4 m，彎頭回轉角度為90°，管道內壓分別取2、4、6、8 MPa，管道內外溫差從30 ℃到70 ℃每隔10 ℃取值時，不同管道內外溫差對自然補償器最大Mises應力的影響。

圖2 不同p下管道最大Mises應力與ΔT的關系

Fig.2 Relationship between the maximal Mises stress and ΔT under different p

對圖2進行分析可以得到，隨著內外溫差的增大，其最大Mises應力也逐步增大，而且管道內壓也對最大Mises應力有較大的影響。因此，在較高內壓和溫度下工作時，自然補償器自身最大應力相對較高，為兩邊直管段分擔了一部分應力，但是無法說明管道系統是更安全的。

這里引入一個變量，管道安全系數δ：

（4）

式中： —有補償器管道最大Mises應力；

—無補償器管道最大Mises應力。

管道安全系數越小，代表自然補償器分散的應力越多，含有自然補償器的管道系統就越安全。圖5給出了在不同內壓下，管道的安全系數與內外溫差的關系，這里使用的其他工況與之前一組分析一致。

圖3 不同p下δ與ΔT的關系

Fig.3 Relationship between δ and ΔT under different p

從圖中可以得到，當管道內壓為2 MPa時，管道安全系數隨著溫差的增加而升高；當管道處于4和6 MPa兩個工況下時，隨著內外溫差的增加，管道安全系數先降低后逐漸升高；管道內壓為8 MPa時，安全系數隨著溫差的增加而降低，而且在四種內壓下的管道安全系數曲線有逐漸重合的趨勢。總體上，管道安全系數都維持在一個相對穩定的范圍（0.8～0.9）內。說明在正常的工況下，自然補償器都能較好地釋放來自兩邊管道較大的溫度應力，使管道在相對安全的狀態下正常運行。

2.2.2 彎頭回轉角度的影響

圖4給出了自然補償器最大Mises應力隨彎頭回轉角度的變化關系。其中中間直管段長度L1與右側直管段長度L2均為4 m，管道內外溫差取60 ℃，內壓取6 MPa；回轉角度以5°為間隔，在90°到150°之間取值時，不同彎頭回轉角度對自然補償器最大Mises應力的影響。

圖4 管道最大Mises應力與θ的關系

Fig.4 Relationship between the maximal Mises stress and θ

根據圖4，最大Mises應力隨著回轉角度的增大先減小后增加，最大增幅僅有大約16 MPa。由此可見，彎頭回轉角度對管道的最大Mises應力影響較小。為了降低制造難度、同時保障管道的安全性，輸油管道自然補償器的彎頭回轉角度取90°是比較科學合理的。

3 結 論

本文基于非線性有限元方法建立了“Ω”形自然補償器的模型，用殼單元模擬管道，用非線性土彈簧模擬了管土相互作用，分析了溫度、壓力和補償器彎頭回轉角度對管道最大應力和管道安全系數的影響，得到了以下結論：

對于不設自然補償器的管道，隨著內壓、溫差的增大，其最大應力也顯著增大，容易導致管道結構失穩。對于設有自然補償器的管道，其安全系數δ隨著內壓、溫差的增大沒有顯著的變化。表明管道自然補償器能夠很好地釋放過大應力，保障埋地輸油管道能夠安全運行。

管道的最大應力隨著自然補償器彎頭回轉角度的增加先減小后增加，有著小幅度的變化。表明回轉角度的影響較小，同時為了降低制造難度，自然補償器彎頭回轉角度取90°是比較科學合理的。

參考文獻：

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