管道漂管應力分析及處理措施

石 悅， 趙 媛， 張 俊

(1.山西能源學院，山西 太原 030600；2.山西天然氣有限公司，山西 太原 030032)

引 言

敷設于山區、丘陵、河溝地段的天然氣管道，在雨季水流的作用下，周邊土壤或河床會被沖刷而造成管道裸露。如遇暴雨或連續雨水天氣出現較多水流匯集，極易在裸露管道處發生漂管甚至斷管事故，給企業造成嚴重的經濟損失和一定的負面影響[1]。

輸氣管道發生漂管后，導致破壞的方式主要有管線共振和疲勞破壞兩種[2]。近些年，許多專家學者通過模糊綜合評判法、解析法、仿真模擬等方法分析穿越河流段管道應力情況，研究水體作用下的管道風險評估，并探討了相應防治措施[3-6]。漂管后，管道位置發生變化，使管道處于較不利的應力狀態，需對漂管后的管道應力狀態進行核算，確保輸氣管道安全、平穩運行。本文以國內發生的一次典型漂管事件為例，對漂管應力狀態進行研究和分析。

1 漂管事件概況

1.1 漂管事件

我國丘陵地段的某條天然氣管道，在一次大暴雨之后，約150 m管道被暴雨沖出，出現漂管情況，如圖1所示。

漂管后，管道運營方及時關閉閥門并降低了管道運行壓力，現場搶修人員采取排水以降低水位的緊急處理方案。抽水后，管道發生部分回落，但因淤泥堆積，管道未能回落至原始位置，在水平和垂直方向仍有一定的位移量，使管道產生了一定附加應力。為防止降雨時再次發生漂管，在管道上方布置了壓重塊。

圖1 管道漂管現場照片

1.2 管道基本參數

漂管段管道基本參數見表1所示。

表1 管道基本參數

2 漂管原因及預防措施

單位長度配重的Waw計算如公式(1)所示。

Waw=F-Wp

(1)

式中，Waw為單位長度管道配重，N；F為單位長度管道所受浮力，N；Wp為單位長度管道重力，N。

管道外徑711 mm，壁厚10.3 mm，計算得單位長度管道重力Wp=1 744.3 N，單位長度管道浮力F=3 890.9 N。單位長度管道浮力大于重力，管道在浮力作用下將發生漂管，需在管道上增設配重(如配重塊或平衡壓袋)，以抵消管道的浮力。

為防止管道發生漂管，還可對埋地管道設置螺旋地錨，將管道通過束帶錨固定于管溝底部進行保護。國內常用的防漂管措施還有箱涵、U型槽、硬覆蓋和石籠等[7]，國外還有采用固定墩、土工織物等新型穩管技術[8]。

3 漂管后管道應力分析

3.1 管道位移數據

水位回落后的管道在水平方向和豎直方向均發生了位移，對管道產生了附加應力。通過選取漂管后管道5個點(位置點選取見圖2)的精確位置坐標，與管道竣工時的坐標對比后，確定管道漂管的位移量。其中，ΔX為沿管道軸線方向的水平位移分量(測點5指向測點1為正)，ΔY為垂直于管道軸線方向的水平位移分量(指向內弧側為正)，ΔH為管道豎直方向的位移分量(向上為正)，管道具體位移量數據如表2所示。

圖2 管道位置測量點示意圖

坐標點序號位置說明位移分量ΔXΔYΔH水平位移量總位移量1出土點0.072-0.3640.5240.3710.6422-0.165-0.0910.5890.1880.6193冷彎管-0.553-0.1050.5320.5630.7754-0.071-0.0970.5120.1200.5265-0.269-0.1510.4610.3090.5556出土點00000

3.2 有限元計算模型

采用ANSYS有限元軟件對4 MPa設計壓力和漂管后0.3 MPa運行壓力兩種工況的管道應力狀態進行分析計算。計算中采用以下力學模型：管道采用彈塑性非線性材料模擬，土體采用非線性土彈簧模擬，管道和土體之間的相互作用采用土彈簧模擬，土彈簧參數參考ASCE(Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe、Guideline for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline System)和GB50470-2008[9]選取。漂管暴露段管道外側再建立200 m長的管道模型，以模擬埋地管道對漂管段管道的約束作用，模型兩端施加剛性約束，采用施加位移的方式模擬管道變形后的位移量。

3.3 管道應力校核

管道漂管裸露后為非約束管道，根據《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》(ASME B31.8-2010)[10](簡稱ASME B31.8)中非約束管道的定義及方法，對4 MPa設計壓力和漂管后0.3 MPa運行壓力兩種工況下管道應力進行校核。規范中，將管道應力分為一次應力和二次應力，分別進行校核，校核結果見表3和表4。

1) 4 MPa設計壓力工況的校核結果

表3 4 MPa設計壓力校核結果

2) 0.3 MPa壓力工況下校核結果

表4 0.3 MPa內壓校核結果

根據校核結果，管道漂管后，在4 MPa設計壓力工況下，管道應力超出了ASME B31.8中對于非約束管道的應力要求；降低運行壓力后，在0.3 MPa壓力工況下，管道應力能夠滿足相關應力要求。說明漂管后減壓運行有助于減小管道應力，保證管道安全。

3.4 處理措施

管道附加應力是由于位移引起的。為減小管道應力，應盡可能恢復管道位移。采取如下措施：

1) 管溝開挖

管道位置下方進行人工開挖，深度從0 m～0.5 m漸變。管道每隔20 m預留1 m寬土體暫不開挖。開挖過程中，嚴防開挖工具傷及防腐層及管道，同時密切關注現場管道變化。

2) 管道復位

開挖人員在管道介質流向左側，同時開挖管溝中的預留土體，使管道依靠重力自然下沉，恢復至原始線位。每次開挖、沉管0.2 m，注意預留土體的開挖方向、開挖速度保持一致。測量人員根據現場進度實時采集數據，如發現管道位置有偏離趨勢，及時調整挖掘方向和速度。

3) 坐標復測

管道復位后，再次測量管道坐標，確認數據后，每道焊口再次進行射線檢測、超聲檢測，確定合格后進行防腐補傷、分層回填。

3.5 管道處理效果

經對比管道復位后的坐標和原始坐標可以發現，管道位移量明顯減小，如表5所示。

根據ASME B31.8校核計算可知，管道復位后，在4 MPa設計壓力工況下，管道應力能夠滿足非約束管道的應力要求，校核結果如表6所示。

表5 管道復位后位移(m)

表6 管道復位后4 MPa設計壓力下校核結果

4 結論

本文通過有限元分析和計算，驗證了漂管處理措施的有效性，對類似事件的處理具有實踐指導意義。以工程實例為基礎，總結了漂管后的處理措施，得出結論如下：1) 管道漂管發生位移后，管道應力狀態會發生變化，應對漂管后管道的應力進行校核；2) 可采用配重塊和螺旋地錨等措施預防漂管；3) 降低管道運行壓力有助于改善管道不利的應力狀態；4) 采取管道復位措施有利于減小管道應力；5) 管道復位過程中應詳細制定施工措施，密切關注管道變形趨勢，防止發生不可控的管道變形。