CAESARⅡ在天然氣外輸管線改造分析中的應用

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(1.上海克龍化工技術有限公司， 上海 201112；2.上海市特種設備監督檢驗技術研究院， 上海 200062)

某海洋平臺終端于2006年投產，南北總長約1 024 m，東西寬約340 m，呈不規則矩形。2017-01現場調研發現，該終端的管線支架設計不合理且存在地質沉降，造成天然氣外輸管線出現較大的位移，影響安全運行，需要進行適當的改造。

CAESARⅡ是以材料力學、結構力學、彈塑性力學及有限元等學科為基礎建立的管線系統設計與應力分析專業軟件，廣泛應用于石油、化工、電力及鋼鐵等行業，具有在線幫助、圖形顯示以及糾錯等功能，不僅可分析大型管系、鋼結構或者兩者相結合的模型(動力、靜力分析)，而且也能用于架空管線的分析以及埋地管線的計算，并可以根據國際標準進行應力校核，是一種高效的管線有限元分析軟件[1-3]。

王軍平[4]以遼河油田錦州采油廠錦19#、錦20#計量接轉站站間管線設計為例，介紹了CAESARⅡ在遼河油田工藝設計中的應用。毛悠仁等人[5]運用CAESARⅡ對離心壓縮機出口管線進行了受力分析，通過調整管線支吊架型式和管線布置，改善了設備管口的受力，以保證設備的正常運行。李廣鑫等人[6]應用CAESARⅡ，以液化天然氣超低溫管線為例，講解了快速設計脫空管線彈簧支架的方法，并對管線進行應力分析校核。

文中采用CAESARⅡ進行天然氣外輸管線應力分析，并結合現場調研結果，分析沉降對管線位移的影響，重新設計支架類型[7-8]。

1 天然氣外輸管線現場調研

1.1 管線基本參數

天然氣外輸管線設計壓力7.7 MPa、設計溫度70 ℃、操作溫度45 ℃、壓力等級CL600、管線材質20鋼(等同于A106B)、管線規格(外徑×名義厚度)?406.4 mm×16.66 mm。

1.2 地質沉降情況

天然氣外輸管線大尺寸位移主要發生在管廊拐彎處及埋地前，該終端已做過多次地質沉降監測，2016-12監測管廊最大累計沉降量為84.4 mm，最小累計沉降量為-34.1 mm(負數表示該處地平抬高)；天然氣外輸管線埋地區地坪最大累計沉降167.4 mm，最小累計沉降82.0 mm。

1.3 管線位移情況

(1)起點位移 現場調研發現，該天然氣外輸管線的起點冷卻器出口位移不嚴重。因此，管線由于地基沉降產生的荷載可以不考慮。

(2)管廊上位移 管廊上管線位移較大，已與相鄰管線相碰。

(3)埋地前位移 管線原設計是從管廊上拐彎下來后直接埋地安裝，后來由于地質沉降，管線產生較大位移。2010年，在埋地之前的管線處增加了一個脹彎，用于吸收地質沉降引起的管線位移。由于地質沉降仍在繼續，2017年發現該管線在進入管溝前近200 mm長的水平管部分發生傾斜。

2 管線應力分析

CAESARⅡ管線應力分析主要包括建模、確定邊界條件并執行計算及分析計算結果3個步驟。

建模是按照應力分析軟件的計算方式把各個支撐點以及轉彎點作為各個節點，按照規定的三維方向順序輸入各節點間的參數，然后在有支撐和其他輔助連接的節點上作相關的連接。計算時，如有輸入錯誤，系統會自動提示并要求修改，直到修改合理后再開始進行計算。計算完畢給出結果，可以用動畫形象地說明系統受力情況，便于設計人員對管線進行適當調整，以確保管線的安全合理性[2]。管線應力分析應保證管線在設計條件下具有足夠的柔性，防止管線因熱脹冷縮、管線支承或端點附加位移產生應力問題。

為了確定現場產生較大位移的原因是單一的管廊支架設計不合理、沉降還是共同作用，應用CAESARⅡ軟件進行管線應力計算，并對比分析無沉降(假定)、當前沉降、5 a后沉降(假定)這3種工作狀態下管線的位移和應力。

2.1 建模

管線建模是將與所分析的管線相連的設備以及管線上各種管件、約束的信息通過一定的方法建立數學模型。首先需要對要分析的管線進行節點的選擇和編號，以便從輸出結果中得到所希望的節點數據。其次是數據輸入，輸入的數據按其特性的不同分為基本參數、管線元件結構特征參數和邊界條件3種類型。基本參數主要包括管線安裝溫度、操作溫度、材料牌號、許用應力、彈性模量、泊松比、管線材質密度、介質密度、絕熱層厚度和密度等。管線元件結構特征參數主要包括管線中各管線元件的形狀、結構特征等，此類參數決定了管線的空間走向和相應管線元件的規格尺寸及特性等。邊界條件主要包括管線中各管線元件的約束條件、附加位移、管線端點類型及冷緊等。

文中計算的天然氣外輸管線管材密度ρ=7 800 kg/m3、許用應力ReL=137.9 MPa、彈性模量E=2.034×105MPa、泊松比μ=0.29、介質密度ρ1=0.717 kg/m3。

管線建模起點為冷卻器出口，終點到埋地。考慮到計算方便，將途經管廊分成4段，第1段管線包括節點號1230#～1340#；第2段管線包括節點號1370#～1480#；第3段管線包括節點號1500#～1600#；第4段管線包括節點號1620#～1810#，具體標示見圖1。

圖1 改造前管線分析結構

2.2 邊界條件

根據現場調研，整個管線在管廊上的支架較少，僅通過4只U形卡進行限位，管線在管廊上的約束條件見表1。

表1 天然氣外輸管線邊界條件

2.3 3種狀態分析

鑒于管線管廊上位移較大，埋地區域管線出現嚴重傾斜。對狀態一(假定無沉降)、狀態二(當前沉降)、狀態三(假定5 a后沉降)3種工作狀態進行管線應力分析。該管線已運行10 a，因而假定5 a后的沉降位移數值為當前沉降實測值的1.5倍。

在確認輸入數據無誤后，可進入計算階段，3種工況選擇如下：①操作工況(OPE)。考慮自重載荷W、溫度載荷T、壓力載荷P、彈簧載荷H和初始位移(即沉降量)D，用于獲得管線位移。②持續工況(SUS)。考慮W、P、H和D，用于獲得管線中節點的一次應力值。③熱膨脹工況(EXP)。僅考慮溫度載荷T，用于獲得管線中的二次應力值。

3 管線靜力計算結果

管線的靜力計算結果一般包括管線應力、管線上各約束受力、管線各點位移等，計算結果主要用于對管線進行應力校核。本文采用ASME B31.3進行管線應力校核[9]，其管線應力校核準則為：①管線上各節點的一、二次應力值應小于許用應力。②管線對設備管口的推力和力矩應在允許的范圍內。③管線的最大位移量應能滿足管線布置的要求[1]。

3.1 整體管廊位移

選擇操作工況(OPE)，對3種工作狀態下的整體管廊位移進行對比分析，結果見圖2。

圖2 操作工況下3種工作狀態下整體管廊位移

由圖2a可知：①第1段管段與第2段管段的連接彎頭處的x向(南向)位移達到了85 mm，與相鄰管線相碰。②3種工作狀態下，沉降對第4段管線在x方向位移影響不明顯，但對其它管廊區和埋地前脹彎處的x向位移有一定影響。

由圖2b可知：①第1段管段與第2段管段連接彎頭處的z向(西向)位移達到了80 mm，與相鄰管線相碰。②3種工作狀態下，沉降對第1段到第3段的彎管處的z向位移影響不明顯，但對埋地前脹彎處的z向位移有顯著影響。

3.2 管廊應力

3種工作狀態下，得到的持續工況一次應力σ1、熱膨脹工況的二次應力σ2模擬計算結果見圖3，其中σ1≤ReL、σ2≤[σ2], [σ2]=294.9 MPa，由CAESARⅡ計算得到。

圖3 3種工作狀態下管廊應力分布

由圖3a可知，持續工況下，狀態二和狀態三的一次應力最大值出現在第4段管段及埋地前脹彎處，其數值接近于ReL。

由圖3b可知，熱膨脹工況下，3種工作狀態的二次應力值均低于二次許用應力，但隨著沉降的增大，二次應力的數值越來越大。

4 管線支架改造

4.1 改造思路

根據此次應力分析結果，可得出以下結論：①整體管廊的后續沉降對管線的二次應力有一定影響，而且應力呈增大趨勢。②在管線埋地前，沉降對管線位移和一次應力影響較大。③埋地前的脹彎管段位移偏大，且一次應力接近許用應力。④在操作工況下，3種工作狀態產生的位移差值不大。因此，管廊上的管線產生較大的位移主要是由于支架設計不合理造成的。

為了保證該管線的正常運行，需要對管線進行改造，重新設計支架以減小管線的位移和應力[10]。

4.2 邊界條件

在模型中不斷調整節點的約束條件(即選擇支架類型)，使管線產生的位移和應力最小化，得到的改造后整個管廊的約束條件見表2，約束及節點標示見圖4。

表2 改造后天然氣外輸管線約束條件

圖4 改造后管廊支架示圖

4.3 計算結果

4.3.1管廊位移

狀態二下，對支架調整前后的管線位移計算結果進行比較。

操作工況下，整體管廊在x向和z向的位移結果見圖5。

圖5 操作工況下改造前后整體管廊位移比較

分析圖5a可知，在操作工況下，調整支架后整體管廊的x向位移明顯小于改造前，最大為20 mm，位于節點1340#～1370#的彎頭處，滿足管線布置要求。

分析圖5b可知，在操作工況下,調整支架后整體管廊的z向位移明顯小于改造前，最大為30 mm，位于節點1340#～1370#的彎頭處，同樣滿足管線布置的要求。

4.3.2管廊上應力

狀態二下，支架調整前后第1段管線一次應力及二次應力計算結果對比見圖6。

分析圖6a可知，持續工況下，改造后管線產生的一次應力最大值遠低于許用應力值。

分析圖6b可知，熱膨脹工況下，改造后管線產生的二次應力大于改造前的二次應力，但最大值遠低于許用應力值。

4.4 彈簧支架選擇[10-14]

現場調研發現管線埋地前的水平管段沉降嚴重并發生傾斜，且管線上的彈簧支架已經被壓至底部而失效。同時應力計算結果表明，沉降對埋地前的管段影響較大。因此，需要重新選擇彈簧支架替代原有彈簧支架。

根據CAESAR II計算結果，并考慮地質沉降，由軟件自動重新選擇新的彈簧支架，技術指標符合NB/T 47039—2013《可變彈簧支吊架》[15]要求，彈簧支架的安裝位置在節點1730#、1780#處。根據計算結果，節點1730#和1780#處分別選用中石化TD90C17 和TD90C16可變彈簧架。

5 結語

根據本次的計算結果，已經完成了對此管廊支架改造的工程設計樣圖，不久可實施現場工程改造，有關數據有待進一步的提取。

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