LNG接收站地基沉降對管道應力的影響分析

翟博 張晨

摘 要：本文通過LNG（Liquefied Natural Gas）接收站工程實例，從技術和安全評價的角度出發，分析了項目長時間投產運行階段應對地基沉降的整體解決方案;同時結合站內的調研情況，搭建了全場主要管道的實體模型，完成應力分析計算;最后提出管道應變應力的推薦檢測方案，闡述了沉降發生后的綜合處理措施。

關鍵詞：LNG接收站;管廊架;應力分析;地基沉降;監測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.062

1 研究目的及意義

鋪設在土質（或砂質）較軟地基上的管廊架及管道可能會因所在區域的不均勻沉降而發生變形，沉降帶來的后果是急劇增大相鄰管道支架的承載力，同時管道本身所受到的應力也隨之增大[1]。由于石油天然氣管道行業的特殊性和危險性，特別是存在運輸易燃易爆物質的管道，當連接端口或特定區域的應變和應力超過了規定的受力范圍時，就會導致管道產生裂縫、損傷、變形、扭曲或傾斜，進而誘發嚴重的安全事故[2]。

本文研究的主要目的是從安全評價的角度出發，針對LNG接收站站內主要的低溫管線和常溫的天然氣管線，開展地基沉降前后的應力分析研究，通過計算其應力變化規律，再結合現場實際情況，提出管道應變應力的監測方法。同時，以某工程項目為例，依據收集到的現場實測數據，核算管道支吊架在不同沉降條件下的受力情況。最后，總結項目現場應對地基沉降的檢測和處理方案，為進一步研究管道的受力特性提供理論依據和技術支持。

2 設計階段對管道沉降問題的考慮

2.1 土建及鋼結構

（1）陸域形成的地基處理。當前國內的LNG接收站已建或在建的已多達十余座，但多涉及到陸域形成，在填海造陸的過程中，一般情況下都采用軟土回填，鑒于軟土地基的特性，項目建設過程中如果不進行加強地基處理或采用有效的基礎管理形式，土體本身連帶上部結構均可能產生較大范圍的沉降，如果沉降程度較大，將不能滿足上部結構的荷載要求[3]。

對于管廊架和管線結構件下方的地基，施工完成后必須通知質量驗收標準，具體要求為處理后的地基承載力標準值≥80kPa，壓縮模量≥5MPa，同時質量要求處理土層以下的地基承載力不得大幅度突然降低。一般條件下，行業內建議填海形成的區域，應該讓土地自然沉降一段時間（大于半年）后再進行項目施工。

（2）管道樁基礎的設計。LNG接收站內的管道一般鋪設在管廊架上，而管廊架承載在樁基礎之上，坐地式的管道，下方一般會設置管墩，是否采用樁基礎視具體情況而定[4]。樁基礎可以直接、有效、完整的將上部荷載力（管道+管廊架等）傳遞到土層和持力層。

如果在項目初期陸域形成時，地基處理措施不到位，自然沉降時間不夠長，那么很可能在項目建設期或項目長期運營期間，現場出現較大幅度的不均勻沉降，假定在上述情況下，管廊架樁基礎的設計（或管墩），必須充分考慮增大樁長或樁徑，以避免上述不利因素對管道帶來的影響[5]。

2.2 管道應力分析基礎

（1）參照的規范。一般條件下，各LNG接收站項目管道柔性分析均參照國際通用規范ASEM B31.1中對應力和應變的規定和最大應力范圍要求。

（2）管道垂向支撐的位移考慮。

根據國內標準規范HGT 20670-2000《化工、石油化工管架、管墩設計規定》，管架基礎可不作地基變形計算，但當大型且頂層支撐重型設備的管廊位于軟弱地基時，宜作地基變形計算，同時應控制相鄰柱基沉降差不大于0.003L（L代表相鄰柱基的中心距）。

3 LNG接收站現場沉降情況簡述

某接收站當前已經發現較為明顯存在管廊架及管道區域土壤的沉降情況。該站管廊架及管道區域同時存在不均勻沉降和均勻沉降二種形式，部門區域沉降量已經到達10-20cm，未打樁基礎的管廊架沉降更為嚴重，已經發現個別管道出現了扭曲變形。

主管廊架和管道的地基已經發生沉降，設計的地面高度應該高于圖中黑色涂漆區域，經測量該區域的地面沉降值約為25cm，管廊架的沉降值無法直接測量。翻閱該站土建及結構專業的部分資料，可以得知該接收站全廠的主管廊架地基均采用地下打樁的形式，樁基礎的深度為20m，從設計角度講已經為管廊架區域地基做了很好的保護。

4 管道的應力分析研究

4.1 管道應力分析基礎

為了更加詳盡的闡述管道支架和管廊架沉降對于管道應力的影響，對管道應力計算所需考慮的因素進行全面整理，通過軟件建模和試算的方式比較沉降前后的應力值。

4.1.1 管道應力分析考慮的工況

管道應力分析中需要考慮管道運營全周期可能經受的全部載荷影響，確保管道在任何載荷下都滿足ASME B31.1中對應力計算的最大值要求。故此管道應力在分析中需要考慮大5類型的工況，主要包括：1）水壓試驗工況、2）操作工況、3）一次應力（冷載荷）、4）偶然載荷工況、5）二次應力（膨脹）工況。本次應力分析以中海油某LNG接收站為例，實際工況選擇內容如下：

水壓試驗工況（HYD）：

水壓試驗工況模擬管道水壓試壓情況下管道的承載能力，同時疊加設計壓力的影響，考慮1種工況：

WW+HP+H;

操作工況（OPE）：

操作工況模擬不同管道可能的操作條件，包含溫度、位移、風和地震的影響，考慮10種工況：

（1）W+D1+T1+P1+H;（2）W+D1+T2+P1+H;（3）W+D1+T3+P1+H;（4）W+D2+T1+P1+H;（5）W+D3+T1+P1+H;（6）W+T1+P1+H; （7）W+D1+T1+P1+H+WIN1; （8）W+D1+T1+P1+H+WIN2;（9）W+D1+T1+P1+H+U1+U2;（10）W+D1+T1+P1+H+U2+U3。

一次應力工況（SUS） ：

一次應力工況分析管道在安裝條件下的載荷，只考慮1種工況：

（1）W+P1+H;

偶然應力工況（OCC）：

偶然應力工況分析管道單獨受到地震載荷或是風載荷條件以及這種載荷和一次應力載荷的疊加，考慮8種工況：

（1）WIN1;（2）WIN2; （3）U1+U2;（4）U2+U3; （5）W+P1+H +WIN1; （6）W+P1+H +WIN2; （7）W+P1+H +U1+U2; （8）W+P1+H +U2+U3;

二次應力工況（EXP）：

二次應力工況分析管道延程存在的溫度差對管道的影響，考慮7種工況：

（1）D1+T1;（2）D1+T2;（3）D1+T3;（4）D2+T1;（5）D3+T1;（6）T1;（7）T2-T3。

對上述工況中的縮略語的含義解釋，如下表所示：

4.2 模型的建立

由于單個管道的管徑不同，在管道支架跨距選取過程中將存在區別，大口徑管道（如46寸）剛度強，柔性差，因此為了經濟，在設計中管道支吊架的跨度較遠， 46寸的薄壁管道最大跨度選定為12.51m，而對于小管徑管道（如10寸）薄壁管道的最大跨度選定為9.33m。

地基的不均勻沉降對不同管徑的管道影響也不同，可以認為對于剛度較大的管道，當發生差異沉降時相當于增大管道的跨度;對于剛性較小的管道，由于管道柔性大而易變形，變形后會得到管道支吊架的支撐，不會造成懸空或拉脫的情況，相對影響較小。結合站內主要管徑管道的分布特點，重點選擇分析鋪設在管廊架上的46寸管徑的管道作為建模基礎條件，分析計算不均勻沉降對其應力的影響。

根據管道尺寸、厚度及柔性參數，搭建管道應力模型分析，如圖3：

4.3 不同沉降條件的影響

按照建設方提供的基礎數據，設計單位在計算管道應力時一般都滿足規范要求，為了分析地基沉降對管道應力的影響，該計算假定一段160m的管道可能發生的不均勻沉降的極端情況，管廊架中點處沉降位移量最大，管廊架整體呈現出“V”字形。相鄰支架位移量按照0.003L的距離進行計算，相關數據如下表：

按照樁基礎規范的標準，樁基礎在規定允許范圍內的沉降必然會對管道應力造成影響。綜合上述分析及模型搭建的計算結果，某接收站管道的應力設計比較保守，在不均勻沉降達到240mm條件下，該管道的應力值占許用應力值的比例較低，相對而言存在較大的安全余量，不構成對管道的實體破壞。

5 沉降發生后的補救措施

根據標準規范HGT 20670-2000《化工、石油化工管架、管墩設計規定》，管架基礎在設計過程中可不作地基變形計算，但是對于軟地基或支撐重型設備的管廊，必須考慮一定量的地基沉降值。實際項目已經遇到了地基不均勻沉降的情況，下面將分情況討論，如何應對不同程度的地基沉降及推薦工程項目采用的補救措施，具體內容如下。

5.1 沉降初期的處理措施

對于已經投產運營的LNG接收站項目，站內管道及管廊架長期受到風載、雪載、重力等環境因素的影響，加上陸域形成時間短，其所在區域的地基或多或少會發生沉降。在沉降初期，此時沉降量在一定范圍內（不大于0.003L，L為相鄰柱基的中心距離）且沉降速率相當穩定，建議采用以下方案進行現場修復：

（1）首先制定沉降監測方案，對現場的沉降值進行系統性數據測量與統計，明確管廊架沉降的位置，定期完成沉降數據的整理與分

析。

（2）對管道重新進行應力分析計算校核，結合原有的配管詳細設計文件（含ISO圖），同時以現場實際情況為準，建立管道三維模型。綜合考慮管道尺寸、材質、管廊架設計、介質、保溫（保冷）、沉降值等邊界數據條件。

（3）對比原設計值與發生沉降后的管道受力情況，假如沉降已經對管道產生影響，并對生產運營構成安全隱患（但沉降值在可控范圍內），此時可采用在管廊架與管道之間設置鋼板墊厚的處理方案。

（4）另外，根據現場實際情況，如果鋼板墊厚的方案不容易操作或效果有限，那么可以考慮將原有管托加高、更換管托類型等補救措施。

5.2 沉降量過大的處理措施

大部分LNG接收站的場地是由填海造陸而成，在項目長時間運行的過程中，地基發生沉降的風險很高，從已獲取的統計結果來看，LNG接收站項目管廊架沉降量都小于規范要求。

假定管廊架沉降量過大，且無法依靠上述沉降初期的方案解決問題，那么就需要考慮從土建施工的角度提出應對措施，具體描述如下：

（1）當沉降量過大，但是已形成穩定沉降時，可以考慮鋼板墊厚、管托加高、更換管托、設置地面支架（如有地面已硬化）等方案綜合使用。

（2）當沉降量過大，并且沉降未達到穩定狀態時，為了保障項目的生產安全運營，建議基于應力應變分析，在沉降量較大的局部區域，替換管廊架，并對原有的樁基礎進行加長、加密處理。

6 結語

不同類型、尺寸、材質、保溫（保冷）狀態的管道都有不同的變形監測方式和處理方法，對某一項目具體的管道而言，流程完整的管線應變和應力分析計算，首先要收集該項目的基礎存檔資料和設計文件，包括港工、土建、結構、工藝、配管等專業的具體內容，從根本上了解該管道的參數設置。

其次，需要對目標管道所處的外在環境條件進行統計分析，建立全廠高風險區或重點區域的災害類型分析數據庫，將高風險區域納入專題管理，并盡可能開展爆炸風險模擬，結合項目的運營情況，長期或定期開展管道應變應力分析工作，提出應對沉降的整體解決方案。

通過對某LNG接收站突然沉降區域的整體分析與計算，目標管道最初的設計值還是比較保守的，存在較大的安全余量，沉降發生后管道應力值占許用應力值的比例較低，初期不會發生管道受損的情況。但是如果沉降值過大，會發生管道局部受力急劇升高的情況，大尺寸管道尤為明顯，建議現場定期監測，如發現沉降值超標，應立即啟動管線應變應力的分析計算及校核工作，為天然氣管道的安全運營保駕護航。

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