基于ANSYS的洪水漂浮管道的有限元分析與安全評估

王新慧 李 恒 李 兵 趙金強 楊 劍

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.青海中特檢特種設備檢測有限公司 西寧 810000）

長輸管道作為能源輸送工具,在國民經濟發展中具有十分重要的作用。而長輸管道主要以埋地方式敷設,在敷設過程中經常穿越河流、溝壑、湖泊等水文活動地域[1]。長輸管道沿線地質環境復雜。遇到洪水會造成管道漂浮、彎曲變形、疲勞損傷,甚至管道斷裂[2]。管道斷裂會造成環境污染、影響工業生產、社會民生,同時造成經濟損失。因此,洪水對穿越河流的長輸管道構成較大安全隱患。

洪水對漂浮管道的作用十分復雜,漂浮后管道的力學分析成了不可避免的問題,工程中常用靜態力學法的方法計算洪水中漂浮管道的受力情況。隨著計算機技術的快速發展,借助有限元分析軟件進行流場分布和漂浮管道的力學仿真分析,成為一種必然趨勢[3]。本文引用某油田某原油管道的漂管真實案例,借助ANSYS有限元分析軟件對洪水沖擊服役環境下,漂浮管道受力情況進行仿真計算分析[4],同時建立在該種漂浮情況下管道安全評估模型[5],為管道管理人員判斷漂浮管道的安全性、制定應急措施提供決策依據。

1 力學模型的建立

漂浮管道是指在洪水沖刷下,埋地管道土層被水沖走,形成部分管道裸露漂浮在水中的情況。由于管道兩端仍然埋于土壤中,裸露管段會受到多種作用力的相互作用,故兩端埋于土壤中的管道為嵌固模型[6]。

假設洪水流速為v,管道x軸方向受到拖曳力FD和慣性力FI,y軸方向受到升力FL、浮力Ff以及管道和內部介質重力W,洪水中漂浮管段受力如圖1所示,根據Morison方程,得到單位長度管道洪水作用力,見式（1）～式（3）。

圖1 漂浮管道載荷示意圖

式中：

ρw——洪水密度；

D——管道外徑；

ve——洪水平均流速；

CD——動水阻力系數,見表1；

CL——動水升力系數,見表1；

CM——動水慣性系數,見表1；

表1 水動力系數

洪水密度ρw與其含泥沙量有關。單位長度管道受到的浮力Ff,重力W和洪水密度ρw計算見式（4）～式（6）。

式中：

ρp——管材密度；

t——管壁厚度；

ρi——管內介質密度；

g——重力加速度；

ρ0——洪水和泥沙的總密度；

ρs——泥沙的密度；

Sv——單位體積比的含泥沙量[8]。

2 漂浮管道的有限元模型

對洪水中漂浮管段應用ANSYS軟件進行仿真分析。由于漂浮管段受力情況及管道與土接觸的影響因素很多,故假設管道本體無缺陷,材質均勻,忽略振動和溫度變化的影響,土壤為均勻的介質,采用簡化模型計算。管土接觸使用COMBIN14單元模擬,COMBIN14單元不與管道接觸的一端采取固定端約束,其中土彈簧的剛度Ks計算見式（7）：

式中：

a——土層厚度；

bp——土層平面方向上的寬度；

m——土的比例系數；

z——各土層中點距地面距離。

單位長度管道與土層的摩擦力F的關系見式（8）：

式中：

ρ——土壤密度；

g——重力加速度；

μ——管道外壁與沙土的摩擦系數；

Dc——管道外徑；

h——管頂覆土深度。

結合實際,建立有限元分析模型。

3 實例計算與分析

我國某輸油管道由于洪水沖刷形成漂浮管道。該管道為直縫電阻焊管,材質為L360,管徑為φ355.6×7.1 mm,工作壓力此處約為0.4～0.5 MPa,原油溫度為30～50 ℃,洪水溫度為15 ℃,洪水與管道的水平夾角約為60°,河水沖出露管長度為76 m。

根據現場資料對該段管道建立有限元分析模型,如圖2所示。管道采用PIPE16單元,忽略焊縫影響；將土壤看成均勻的介質,管土接觸使用COMBIN14單元模擬,COMBIN14單元不與管道接觸的一端采取固定端約束；為了準確模擬工況,取管道總長為160 m,裸露在外面的管道長度為76 m,兩邊各埋地42 m,其中左邊埋深為2.5 m,右邊埋深為1.5 m,沿著X軸正方向89 m處出現最大位移。

圖2 該原油管道有限元模型

對上述模型施加載荷和邊界約束條件,進行有限元計算分析,得到該原油管道變形最大時的應力云圖,如圖3所示。

圖3 漂管變形最大時的應力云圖

由圖3可知,該管道的最大等效應力出現在變形最大位置處,達到354 MPa,接近管道的屈服強度360 MPa；另外左、右兩側入土端的等效應力也較大,分別為247 MPa和298 MPa。漂管在變形最大位置處有可能發不可逆轉的塑性變形,由于漂浮管道最大應力值小于抗拉強度460 MPa,故該漂浮管道未發生斷裂,處于安全運行狀態,建議有關部門采取相應措施。圖4所示為漂管現場情況。

圖4 漂管現場圖

運用軟件對不同長度的漂浮管道進行仿真計算,得到管道的最大應力比率η與漂浮長度L關系圖如圖5所示。

圖5 應力比率與長度關系圖

由圖5可知,隨漂浮管段長度的增大,管道應力比率增大,同時最大應力比率增長也越快,管道失效概率也越大。由圖可知,漂浮管道應力比增幅約0.53%/m；當管道最大應力比率達到100%時,管道發生屈服變形。當漂浮管道長度達到臨界值Lmax時,管道會發生失效,本案例中臨界長度為111.56 m。

通過軟件擬合出漂浮長度L與最大應力比率η的經驗關系見式（9）：

實際生產中,漂浮管道的應力很難檢測,為確保本實例中漂浮管道的安全運行,在相同服役條件下,通過測得管道漂浮長度后,來估算管道應力值。

4 管道失效評估

實際生產中,漂浮長度達到極限值就發生管道失效情況。因此將實際漂浮長度與臨界長度相比即可得到一個值,將該值定義為管道漂浮系數ξ,作為監測地區漂浮輸油管道受力的指標,用式（10）表示：

其中Lmax的理論值可根據管道強度校核或者軟件計算獲得。由圖5可知漂浮長度的變化規律,并結合現場,建立漂浮管道危險等級劃分準則,見表2。

表2 漂浮輸油管道危險等級準則

根據上述分析,建立漂浮管道安全評估模型,如圖6所示。

圖6 漂浮管道評估程序

在洪水等其他參數一定時,先計算出漂浮管段的應力值,用最大的應力值對管段進行強度校核,若強度值不滿足,危險程度評為嚴重,應應急搶修；若強度值滿足,則需計算出漂浮系數ξ,由表2評定漂浮管道的危險等級,根據方案進行維護。

按照評估程序對本案例進行評估。該管段臨界漂浮長度L為111.56 m,漂浮系數ξ為0.68,因此確定該管段危險等級為2級,危險程度為中等,該管道可以安全運行,但存在一定風險,需要管道單位按照方案采取一定的維護措施。

5 結論

1）簡單分析了漂浮管道的載荷情況,采用ANSYS軟件進行仿真分析,得到該種載荷條件下,漂浮管道最大應力比率與漂浮長度的關系,漂浮臨界長度作為管道失效的指標。

2）通過案例分析表明,本次評估的漂浮管段為中等危險程度,管道漂浮危險等級與管道的裸露系數密切相關,管道的裸露系數隨著洪水流速增大或者漂浮管道長度增加而增大。

3）從一個新角度建立漂浮管道安全評估模型,并進行危險等級劃分,為管道使用單位制定漂浮管道的搶險方案提供了理論依據。

4）根據極限理論,建立了基于應變的洪水漂浮管道安全評定方法,分析了在該種服役條件下,洪水流速和漂浮管道長度與管道失效的關系,并對本實例漂浮管道進行安全評定和極限狀態分析。

5）本次仿真分析采用簡化模型,仿真結果與真實值存在誤差,但誤差在工程允許10%的范圍內,較真實地反映了現場工況。