非均勻沉降下埋地天然氣管道應力分析及對策

伊曉冬(新地能源工程技術有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

非均勻沉降下埋地天然氣管道應力研究，是保證天然氣輸送及時、安全的重要舉措。天然氣作為重要的生產能源，在化工原料以及城市建設、居民生活、燃料等方面均有重要作用。正因為天然氣的社會效益、經濟效益等明顯，所以始終是國家能源管理關注的重點對象。天然氣的運輸以管道形式為主，管道運輸體現出經濟性與合理性。可是天然氣本身屬于易燃易爆物質，若生產或者運輸期間管理不當，會出現燃燒、爆炸等嚴重情況，同時還會污染環境，威脅人員生命安全，造成巨大經濟損失。基于此，加大對非均勻沉降下埋地天然氣管道應力分析力度，更好地適應當前輸氣管道距離長、運輸量大以及壓力高等趨勢。

1 天然氣管道應力分析意義

天然氣作為重要應用能源之一，其運輸的主要方式便是管道輸送，既可以保證輸送及時，有能夠做到輸送安全。天然氣在使用中雖然為工業生產、日常生活提供了方便，但是其自身具有易燃易爆的特點，若出現天然氣事故，就會產生嚴重的后果[1]。2019 年3 月20 日中石油泰青威天然氣管道發生泄露爆炸著火，事故雖沒有造成人員死亡，但是經濟損失達905.1643 元。2020 年4 月30 日，內蒙古鄂爾多斯一企業發生燃氣管道泄漏著火事件，造成3 人死亡，1 人受傷。

對于天然氣管道泄漏、著火以及爆炸事件頻繁出現的情況，必須提高對天然氣運輸管道安全方面的重視。及時對管道應力加以分析，綜合非均勻沉降下埋地天然氣管道應力影響因素，總結其中的變化規律，尤其是對溫度、壓力變化、不均勻沉降組合方面更需要加大研究力度。進一步完善天然氣管道不均勻沉降改善理論依據，并且提高天然氣管道的安全性。

2 非均勻沉降下埋地天然氣管道應力分析研究方向與方法

非均勻沉降下埋地天然氣管道應力研究中，針對某天然氣分輸站為研究對象，該分輸站所建地基為軟土地基，在管道施工期間，施工標準更加嚴格，因此需要進一步完善天然氣管道施工加護，首先對現場展開全方面應力測試，并且還要進行沉降測試。其次是進行理論分析，應用分析軟件及時展開應力分析[3]。再次是綜合分輸站閥室管道布置要求進一步完善管道體系，總結影響應力水平的因素，具體涉及到管壓、不均勻沉降組合以及溫度等，除此之外還要分析豎向位移所有到的影響。最后根據實際分析情況，及時計算分析結果，并制定針對性的措施。具體研究方法如下：

2.1 分析力學理論

力學理論分析是研究天然氣管道不均勻沉降的必要內容，以不均勻沉降為前提，創建管道力學模型，計算管道受力，并得到天然氣管道沉降量差量，隨后以計算原理為基礎，總結計算要點。

2.2 現場實驗測試

通過對非均勻沉降下埋地天然氣管道現場的反復勘察以及論證，提前標注好關鍵點，并安置應變測量傳感器，對管道關鍵位置進行實時跟蹤調查，以月為周期，最長跟蹤時間為6 個月。統計分析現場采集到的非均勻沉降管道數據，及時掌握管道當前的狀態以及應力水平變化。在此基礎上開始沉降測試，以測試數據對應力水平進行綜合分析[5]。

2.3 應力軟件分析

應力分析中，通過應力分析軟件對天然氣管道建模分析，以此來提高非均勻沉降下埋地天然氣管道應力分析水平。

2.4 應力綜合分析

應力綜合分析中，根據試驗數據對非均勻沉降下埋地天然氣管道應力情況客觀研究，及時制定更全面、具體的改進措施，以此保證天然氣管道的安全[6]。

3 非均勻沉降下埋地天然氣管道應力分析

應用應力分析軟件CAESAR Ⅱ，對天然氣管道體系進行精準分析。具體工作內容包含建立模型、分析計算、和計算結果校核三方面。

3.1 建立天然氣管系模型

非均勻沉降下地埋天然氣管系建模，需要管系設備、建模軟件、相關信息的支持，在軟件操作下完成管系建模。軟件分析中，提前選擇好節點、編號，及時輸入結點數據，隨后錄入相關數據[7]。圖1 為天然氣管系應力分析模型圖。

圖1 天然氣管系模型

3.2 應力分析計算

應力分析計算執行中，需首先進行數據檢查；然后對工況組合進行計算。

數據檢查中，若遇到致命性錯誤，則需要對數據及時修改。若遇到警告性錯誤，并不會對程序運行造成影響，但是也需要謹慎處理，以保證分析結果的準確性。

工況組合計算中，操作工況、一次應力計算工況、二次應力計算工況分別為(1)L1=W+T+P+F；(2)L2=W+P+F；(3)L3=L1-L2。通過L1得到天然氣操作應力，通過L2得到一次應力值，通過L3得到二次應力值。計算中，自重載荷為W、溫度工況為T、壓力工況為P、集中載荷為F。

按照以上工況組合對管系進行分析。

3.3 計算結果校核

計算結果校核的目的在于校核管道應力。保證一次應力、二次應力都不能超出規范應力值范圍。

3.3.1 一次應力校核

一次應力校核中涉及到重力、外加荷載以及壓力等一系列荷載，一次應力校核幫助天然氣管道有效維持與外加載荷之間的平衡關系。具體校核公式如下：

式中：涉及到天然氣管道元件一次應力Iσ (MPa)；應力校核中設計溫度條件下管道元件最小屈服強度 Lσ (MPa)；持續一次載荷下的軸向力、平面內、平面外彎矩，分別為 FAX、Mi、M0(N、N·mm、N·mm)；管道壓力、管道外徑、管道壁厚，分別為P、d0、t(MPa、mm、mm)；抗彎截面模量Z(mm3)。

3.3.2 二次應力校核

二次應力校核中的應力以管道變形情況下，受到約束所形成的荷載，這種荷載本身具有自限性特點，若天然氣管道局部位置在外力影響下而出現屈服或者變形等情況，應力會出現減小變化。二次應力若超出許用值，代表天然氣管道存在疲勞破壞。這種疲勞破壞主要因為熱脹冷縮的原因造成。二次校核中需要注意溫度變化，同時還要觀察熱膨脹應力，具體公式如下：

式中：管道元件系統中二次應力為IIσ (MPa)；二次熱脹情況下平面內、外彎矩分別為Mi、M0(N·mm、N·mm)；熱脹條件下管道元件扭轉力矩為MT(N·mm)；除此之外還包括平面內、外管道應力增強系數，分別為ii 、0i 。

4 結語

綜上所述，非均勻沉降下埋地天然氣管道應力分析中，利用CAESAR Ⅱ軟件，綜合地勘資料和管道布置，及時創建天然氣管系模型，并對不同工況進行分析計算，經過校對處理后，可以及時發現管系中潛在的應力問題，提前制定針對性解決方案，從而實現提高天然氣管道管理、運行安全的目的。