港口工程架空及埋地管道系統應力分析

王等等，馬輝，浦哲

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200062）

0 引言

由于船運具有裝卸量大、運費低等特點，在自然條件允許的情況下，液體散貨貿易普遍采用此種方式。液體散貨的裝卸船需要通過裝卸設施及管道將船舶與陸域罐區相連接，一旦管道設計不合理，不但影響正常生產運營，發生泄漏后也會對土壤及海洋環境造成很大的破壞[1]。由美國COADE公司研發的應力分析軟件CAESARⅡ已廣泛應用于管道設計行業，采用此款軟件對所設計的管道建模后進行應力計算分析，能夠及時發現設計不合理的問題，設計者可根據計算結果優化設計方案，保證管道安全運營[2]。

1 港口工程管道設計特點

1）港口工程管道敷設常采用架空敷設的形式，只有在輸送距離較遠或工程有特別要求時，才會在陸域部分采用埋地敷設。

2）港口工程管道由于受到海浪、鹽霧、雨雪、日照等惡劣環境的影響，暴露在空氣中的架空管道易受侵蝕；埋地管道在土壤中也會受到地下水及雜散電流的腐蝕，設計除考慮外防腐措施外，需要考慮一定的腐蝕余量[3]。

2 CAESARⅡ軟件應力分析標準

當碼頭管道架空敷設于管架上，而陸域管道埋地敷設時，兩種管道敷設形式的不同導致管道受力不同，進而導致管道破壞形式不同，在進行應力校核及受力分析時應選擇不同的校核規范，見表1。

表1 架空管道及埋地管道受力及校核內容Table1 Stressand check conditions of overhead and buried pipeline

2.1 架空管道應力校核

1）架空管道一次應力校核分析

對于架空敷設的管道，根據ASME B31.3的規定[4]，其一次應力校核條件為：

①滿足管道的壁厚及補強計算要求，則可判定出管道的內壓所產生應力是安全的；

②滿足管道組件的壁厚及剛度要求，則可判定出管道的外壓所產生的應力是安全的；

③管道系統任一組件由于持續荷載所產生的縱向應力之和SL不超過材料在設計溫度下的許用應力Sh[4，6-7]。

根據上述描述的一次應力校核的條件，其表達公式如下：

式中：F為由于持續荷載產生的軸向力，N；A為管道橫截面積，mm2；P為設計壓力，MPa；D為平均直徑，mm；t為壁厚，mm；Z為抗彎截面模量，mm3；M為合成彎矩，N·mm。

式中：ii、io分別為平面內、外應力的增強系數；Mi、Mo分別為由于持續荷載產生的平面內、外彎矩，N·mm。

2）架空管道二次應力校核分析

架空管道二次應力校核分析的條件為：管道系統計算所得位移應力范圍SE應不大于許用位移應力范圍SA。按照組合情況的最大剪應力理論的當量應力計算位移最大應力范圍[4，6]。

根據上述二次應力校核條件，通常情況下其表達式為：

式中：ii、io分別為平面內、外應力的增強系數；Mi、Mo分別為由于溫度荷載引起的平面內、外彎矩，N·mm；Z為直管段、彎頭及等徑三通的主管、支管的抗彎截面模量，mm3；Mn為管道截面的扭矩，N·mm；[σ]c、[σ]b分別為在分析中的位移循環內，材料在冷、熱狀態下的許用應力，MPa；σL為管道中由于各持續荷載所產生縱向應力的總和，應取所有工況的最大值，MPa；f為管道位移應力范圍減小系數。

2.2 埋地管道應力校核

1）埋地管道簡化模型

CAESARⅡ在進行埋地管道應力分析時，根據土壤的特性，將土壤作用在管道上的約束簡化為軸向和橫向上的點約束力[8-9]，見圖1。

圖1 埋地管道簡化土壤約束模型Fig.1 Simplified soil restraint model of buried pipeline

①軸向荷載及土壤剛度的計算

軸向單位長度摩擦力為管道自重、管內介質重量及管道上方土壤重量引起的管道與土壤之間摩擦力之和，其表達式為：

式中：μ為土壤摩擦系數，其中泥沙取0.4，沙土取0.5，砂礫取0.6，黏土取0.7；D為管道直徑；ρs為土壤密度；H為管道至管頂的埋設深度；ρp為管道密度；ρf為管道內流體密度；t為管道公稱壁厚。

土壤約束剛度在軸向上通過土壤屈服位移及軸向荷載求出，其表達式為：

式中：Yd為土壤屈服位移，Yd=k（H+D），屈服位移系數k通常取值0.015。

②橫向荷載及土壤剛度的計算

橫向單位長度荷載表達式為：

式中：φ為土壤內摩擦角，其中沙土取27°～45°，泥沙取26°～35°，黏土取0°；OCM為回填夯實系數。

土壤約束剛度在橫向上通過土壤屈服位移及橫向荷載求出，其表達式為：

公式中其余符號含義同軸向單位長度荷載。

2）埋地管道校核

ASME B31.4[5]除了滿足管道內壓、外壓應力外，要求對縱向應力分別進行校核，再對兩種應力的復合應力進行校核，ASME B31.4—2016規范中對埋地管道校核計算公式進行了更新[5]。

①管道內、外壓應力（環向應力）應滿足下式：

式中：Pi、Pe為設計內、外壓力，MPa；D為管道外徑，mm；t為壁厚，mm；Sy為屈服應力，MPa；F1為環向應力設計系數，埋地管道取0.72。

②受約束管道的縱向應力應滿足下式：

式中：SL為最大軸向應力，拉為正值，壓為負值，MPa；Sa為軸向應力，拉為正值，壓為負值，MPa；Sb為最大合成彎矩，MPa；Fa為軸向力，N；A為管道橫截面積，mm2；ii，io分別為平面內、外應力增強系數；Mi，Mo分別為由于持續荷載產生的平面內、外彎矩，N·m；Z為抗彎截面模量，cm3。

③復合應力應滿足下列要求：

式中：St為扭應力，其值為MPa；M為扭矩，N·m；式中其余符號含義同上。

2.3 架空及埋地管道系統應力分析

由于架空管道與埋地管道校核規范不同，而碼頭至后方罐區的管道若存在兩種管道敷設形式并存的情況，此時在建立模型進行受力分析時，應以埋地點附近的固定支撐為分界，對架空管道及埋地管道分別采用對應的校核規范進行分析。

3 實例分析

3.1 管道基本情況

某工程通過管道將物料輸送至后方罐區，其中主要輸送管道為2根DN1200的原油管，管道設計壓力1.6 MPa，設計溫度60℃，此段管道包含碼頭的架空管道及陸域埋地管道，管道在管架及埋地區域走向布置見圖2所示。

圖2 管道走向示意圖Fig.2 Layout of pipeline route

3.2 管道模型的建立

管道模型建立關鍵在于埋地管道土壤模型的建立，根據管道所處土壤為沙土，土壤摩擦系數取0.5，內摩擦角為30°，由地質報告得知土壤密度為0.001 5 kg/m3，至管頂埋深為1.2 m，土壤回填壓實系數OCM取8（夯實度大于95%），屈服位移系數通常取值為0.015，管道安裝溫度與設計溫度溫差為40℃。在埋地段選擇所建立土壤模型編號并確定入土點及出土點后即可進行模型轉化。

管道系統最終模型見圖3所示，210為入土點，250為出土點。值得注意的是，經轉化后的模型會出現管道密度及管內流體密度缺失的情況，需要進入輸入界面進一步檢查，在10～190節點范圍內應力分析標準選用B31.3[4]，190～270節點范圍內通過勾選Allowable stress設置應力分析標準為B31.4[5]，輸入完整后進行模擬計算。

圖3 管道系統模擬模型Fig.3 Simulation model of pipeline system

3.3 模型計算結果分析

建立模型后運行分析，并根據運行結果對管道支托設置的位置及支托類型進行調整優化。根據優化后的模型運行結果，一次應力、二次應力、熱應力比率最大值及各最大值對應的節點位置見表2。

表2 應力最大值及節點位置Table2 Maximum stressand node position

根據模型計算結果分析可知：

1）本工程應力滿足要求，且一次應力、二次應力及熱應力比率最大值的位置均在彎頭附近或彎頭處。

2）由于本工程管徑較大，且操作溫度與安裝溫度之間的溫差較大，經計算本工程埋地與架空管道處（190節點）水平推力受力約500 kN，需要設置相應的固定墩。此時若存在多根原油管道，可將管道固定點分散設置在180、190管墩上，減小對同一個管架的水平推力。

3）管架上管道水平補償位置應盡可能設置于兩個固定點中間。

4 結語

1）若港口工程管道系統中既有架空管道又存在埋地管道時，應以埋地點附近的固定支撐為分界，架空管道及埋地管道，設置不同的應力校核標準。

2）應力最大值的位置通常在彎頭處或彎頭附近，設計中應予以重點關注，必要時采取相應的技術措施。

3）如果管道較多，可將管道固定點設置在不同管架上，減少單一管架的固定點水平推力。