国外某油气管道的纵向屈曲计算校核.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年8 月 第3 6 卷 第8 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A u g ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 8 国外某油气管道的纵 向屈 曲计算校核 何祖祥 中国 石油天 然气管道工程 有限公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 闰志强 中国 石油天 然气管道 局国 际事业部， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 黄超 ，齐景斌 中国 石油天 然气管道工程 有限公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 [ 摘要] 由于输送工艺的要求，部分油气管道需在高温高压的环境下输送，而高温高压会导致管道产 生轴 向 压 缩力 。若管道埋设在无黏性土或土壤黏 聚力较差的地质环境 中，对于陡坡 凸起 弯曲管段和点支撑缺欠下 的管道有可能发 生纵 向屈 曲而变形，从而造成 安全 隐患或破坏。基于这类弯 曲管段和 点支撑缺 欠两种敷设 情况 ，对管道纵 向屈 曲的可能性进行分析与校核 ，并据此给 出了这 些地 段防止管道纵 向屈 曲的措施 。主要 措 施包括减小管道纵 向屈 曲的向下力和增加管道上方覆盖层的土抗力 ，以及加强运营期 间管道 的位移监测。 [ 关键词]油气管道 ；陡坡段；点支撑缺 欠；纵 向屈曲 [ 中图分类号]T E 9 7 3 ． 1 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 【 2 0 1 4 0 8 0 2 3 0 0 5 管道的纵向和横向屈曲问题 通 常纵 向和横 向屈 曲是海底管道 从最初规划 到设 计阶段所必须 考虑 的固有 问题 ，实际上 陆上管 道在 高 温高压 的运行 条件下也可 能发生纵 向和横 向的屈 曲，尤其 是 当管道敷设 在无 黏性土 或土壤 黏聚力 特性较 差 的地 质环境下⋯ 。 埋地管道由于内压及安装与运行期间的温差变化将导致管体扩张，管体表面和周围土体之间的摩擦力 阻止了管道 的轴 向扩张 ，这 种对管道膨胀 的约束沿管道截 面产生 了轴 向压缩 力 ，当轴 向压 缩力超过 土壤 与 管道问的摩擦力时，多余的能量将使管道沿一个阻力最小的路径移动，直到达到新的平衡。 轴 向压缩力会对 管道造成横 向与纵 向的屈 曲失稳 ，由于管道为沟埋敷设 ，管沟侧 壁 的被动土压 力 限制 了管道的横向屈曲，工程实际中可以不考虑其影响。但是纵向凸起弯曲段的管道受到轴向压缩力的作用将 试 图向上抬升 ，这种移动将 产生纵 向屈 曲 ，造成管道上方 覆土隆起 或管道 突 出地 面 ，如 图 1 所示 。管道 的 抬升受到钢管 自重及输送介质重量、回填土重量及其抗剪切力等综合因素的约束。 对 于敷设 在这类 地质条件下 的油气管道 ，国外 很多项 目要求 对管道可 能发生纵 向屈 曲失稳 的区段进 行 分析并 出单独 计算报告 ，如对 地 形起 伏较 大 的 凸起弯 曲段 及 “ 点支 撑缺 欠”状 态下 管 道进 行纵 向屈 曲分 析 ，下述分析 的部分公式参 考 了壳牌公 司的技术规 范 。 2 管道纵向屈 曲分析 2 ． 1 完全受约束 管道受到 的轴 向压缩力 纵 向屈曲的推力 由受约束管道的轴向压缩力产生 ，由于温差和操作压力而作用在管壁上的轴向压缩力 由下式 。 计算确定 。 Ne一 1 2 v 4 -2 EAt 1 式 中 N 为轴 向压力 ， N； t 为钢管壁 厚 ， m m； R 为钢管 内径 ， 即 0 ． 5 D一2 t ， m m； R为钢管平 均半径 ， 即 0 ． 5 D [ 收稿日期]2 0 1 4⋯0 7 0 9 [ 作者简介]何祖祥 1 9 7 8一 ，男 ，2 0 0 1 年武汉大学毕业 ，工程师，现主要从事长输管道的线路设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 6 卷第 8期 何祖祥 等 国外某油气管道的纵向屈曲计算校核 地农 管道纵 向屈曲 埋地管道 热 膨胀 热膨 胀 图 1 管 道 的纵 向屈 曲 ～ ， ， n n ； 为弹性模量 ， N ／ ram。 ； 为泊松系数 ； a 为热膨胀 系数 ， ℃ ； 为操作温 度和安装温 度问差值 ， ℃ ； P 为操作 ． N ／ mm 。 2 ． 2避免管段 纵 向屈 曲所需的 向下力 1 陡坡 凸起 弯 曲段 地 形起 伏 的 线路 纵 断 面具有 波峰币 波谷 的特征 ，图 2显示 了这 样 的断 、E 面 ，在 断 面线 上 某 个 波峰 曲线 段 选 择 坡 度 拐 点 即} f } } 线 的 凸分界点 i 和 i 1 ，假 设这 2个 变 坡 点的水平 星程分别 为 z ， “ ， 高 程为 ， -y 。 波 峰最高点 刮两变坡点 连线 问 的距 离 为 H， ， 两点 水 平距离 为 ， 计算 巾可采 H j H， ／ I ， 比值 作 为评 价 基准来 选 择行 代表 性 的 陡坡 区段 ， 然 后 进行 该 段 的纵 向J H { I j f I 汁算 。 图 2 陡坡凸起段典型断面 { 誊 } 据 H ／ L 比 值 评 价 基 准 选 掸 出 r若 干 段 ， n ， ⋯ 后 ， 把这 些纵断 面线分 为 2类 ① “ 长波长度 ”类型管道 断面 ；② “ 短波长度”类 型管道断面 。 长波和短波 长度类 型的断面线衡 量指标是 ，如果满 足式 2 ，为长波 断面 ；如果满 足式 3 ，则 为短 波 断面 。 L L q ，则1 司 ‘ 认为管 道是稳定 的 ，不需要采 取进一步 的措施 。 如果管道不稳定 ，需对管道纵向屈曲的危害性引起特别注意 ，并考虑合适的措施进行防范 ，可以在 设计 源头调整设计 参 数 或者 在施工 阶段 采取措施进 行控制 。根据上述公 式 中的参 数分 析 ，一 是减小 向下 力 q ，二是增加 管道上覆 盖层 的土抗 力 F，常 采取 下面 一种 或几 种 措施 并 用 ① 增加 管 道 的埋 深 ；②选 择 安 装 时的温度 ，以减少 安 装 与运行 间的 温差变 化 ；③ 回填 土压 实或 在管 道覆 土上 方增 加 土堤 、放置 石块 等 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6 卷第 8期 何祖祥 等 国外某油气 管道的纵向屈曲计算校核 ④ 其他设计参 数调整 如减小设计 压 力 与输送温 度 、采用 高强度钢管 而降 低 钢管壁厚 ，从 而减小 因热膨胀 而引 起 的轴 向力 ；⑤ 控制管 沟施工过 程 ， 对 陡坡段施 工作业带平 缓放坡 、下沟 前 清理管沟 和管沟 回填 土压实 。 综 上 所 述 ，管 道 纵 向屈 曲 校 核 的流程如 图 4所示 。 3 算例分析 1 对 于 陡坡 段 管 道 校 核 ，以 阿 布扎 比某原 油管道 为例 ，其管 材规 地 形 起 伏 的 陡 坡 段 ]] 点 缺 陷 情 况 ]] 采集纵断面图，选择分析段 、 预先假设点缺陷高度 姐 一 I 计计 算 管 道 是 否 发 生 纵 向 屈 曲 j j l【 无 需 采 取 措 施 重 新 验 算 她 是 【采 取 措 施 进 行 防 范 】 图 4 管 道 纵 向 屈 曲校 核 流 程 格 为 X 6 5 ，管径 1 2 1 9 mm，设计 压力 7 MP a ，该 段管道壁厚 1 5 ． 9 mm，安装温度 2 1 C，设计 温度 6 0 C。管 沟 为碎石土地质条件 ，上覆土密度按 2 2 0 0 k g ／ m。 考虑，计算校核结果如表 1 所示。 表 1 阿布扎比某原油 管道 山区陡坡段纵 向屈 曲计算校核 从表 1可以看 出 ，如果按设 计埋深 l m考虑 ，在里程 K P 3 5 7 6 5 0 m、KP 3 7 8 4 0 0 m 和 KP 3 7 9 0 7 5 m 处，管道有可能发生纵 向屈曲。在不减小安装与设计温度差 的情况下 ，当这些地段调整 了管道埋深 到 1 ． 2 m后 ，根据计算结果 表 1中 “ ／ ”之后的值 ，管道将处于稳定状态。 2 对于点支撑缺欠状态下的管道校核，以伊拉克某输气管道为例，其管材规格为 X 6 5 ，管径 6 t 0 m m， 压力 9 ． 5 MP a ，该段管 道壁厚 1 2 ． 7 mm，安装 温度 2 1 ℃ ，设 计 温度 8 O ℃ 。管沟 为松 散砂 土地 质条件 ，上覆 土密度按 1 6 0 0 k g ／ m3 考虑 ，计 算校核 结果如表 2所示 。 表 2 伊拉克某输气 管道点支撑缺欠下纵 向屈 曲计算校核 从表 2看出，该输气管道在点支撑缺欠高度超过 0 ． 7 m 时，将可能发生纵 向屈 曲，对管道造成破坏 ， 管沟施工中应清理管沟沟底 ，并保证管顶的覆土深度 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 油气管道工程 2 0 1 4年 8月 4 结语 在无黏性土或土壤黏聚力差的环境下，埋地管道在陡坡凸起弯曲段或者存在点支撑缺欠情况下 ，有可 能会发生纵向屈曲而造成破坏 ，因此需进行管道纵向屈曲的计算。 纵向屈曲的产生主要是由于压差、温差所导致 的轴向压缩力产生的。在临界段及可能发生纵向屈曲的 管线 段 ，可采取 风险消减措施 ，一是 减小 纵 向屈 曲所需 的 向下力 降低 压差 、温差 等 ，二是增 加管 沟上 方覆 盖层 的土抗力 加大管 顶覆盖层 ，加 强管沟施工措施 等 。 在管道运营期间，定期的智能清管报告将提供管道相对于其基线的移动数据，管道任何明显的位移都 可以从该报告的分析中得到。基于这些数据，可对潜在的纵向屈曲段管道采取必要的消减措施 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]P e t e r s K．A b o u t Up h e a v a l a n d I ． a t e r a l B u c k l i n g o f E mb e d d e d P i p e l i n e s[ M] [ 2 ]S h e l l D E P 3 1 ． 4 0 ． 1 0 ． 1 6 ， Up h e a v a l b u c k l i n g o f p i p e l i n e s[ S ]． [ 3 ]P E TR ON AS P T S 3 1 ． 4 O ． 1 O ． 1 6 ， Up h e a v a l b u c k l in g o f p i p e l i n e s I S ]． [ 4 ]刘 润 ，王秀妍，刘月辉，等 ，点支撑缺欠下海底埋管热屈曲分析 口]．岩土力学 ， 2 0 1 l ，2 3 2 6 4 ～6 5 ． [ 5 ]P a l me r A C ．D e s ig n o f S u b ma r i n e P i p e l i n e s a g a i n s t Up h e a v a l B u c k l i n g口]．OT C - 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