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2 0 1 3 年 管道技术5镊告 2 0 1 3 箜 塑望里 竺里 垒璺 旦竖呈型兰旦竺 里里呈坐塑 兰 A u t o P I P E 在输油埋地管道中的应用 张连来1 ，霍志欣2 1 ．中国石油工程设计有限责任公司北京分公司，北京1 0 0 0 8 5 ；2 ．北京沃利帕森工程技术有限公司，北京l O ∞1 5 摘要埋地管道应力分析的关键在于准确模拟土壤对管道的作用，研究管道周围的土壤力学性能 是正确进行埋地管道应力分析的前提。基于A u t o P I P E 管道应力分析软件，首先对国际上埋地管道理论 进行简单的介绍，然后结合该理论对某工程中的埋地输油管道建立了较准确的应力分析模型，进行了 较细致全面的应力分析，并指出当地上管道柔性足够时，埋地管道出土入土处端点位移较小，不需要设 计固定墩。对管道应力分析工作者利用A u t o P I P E 进行埋地管道应力分析具有一定的借鉴意义。 关键词A u t o P I P E ；埋地管道；应力分析；土壤刚度 中图分类号T E 8文献标识码B文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 3 0 4 0 0 1 2 0 3 A p p l i c a t i o no fA u t o P I P Et oB u r i e dP i p e l i n ef o rO i lT r a n s p o r t a t i o n Z H A N GL i a n ．1 a i1 ．H U OZ h i ．x i n 2 1 ．C h i n aP e t r o l e u mE n g i n e e r i n gC o ．，L t d ．，B e t l i n g1 0 0 1 1 嬲，C h i n a ； 2 ．n e U J 雌W o r l e y P a r s o n sE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B 哪I 鸣1 0 0 0 1 5 ，C h i n a A b s W a c t T h ec r i t i c a lp r e m i s et om a k eas t r e s sa n a l y s i so fb u r i e dp i p e l i n ei st h ee x a c ts i m u l a t i o no ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n s o i la n dp i p e ，S Oi ti si m p o r t a n tt os t u d yt h es o i lm e c h a n i c a lp r o p e r t ya r o u n dt h ep i p ea n do b t a i nas i m p l i f i e ds o i lm o d e la n dt op u t i tt ou B ei ns o f t w a r es i m u l a t i o n ．F i r s t ．t h ep a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ec u r r e n tb u r i e dp i p et h e o r ya n dt h e nm o d e l e ds o m eb u r i e do i l p i p e l i n ei nA u t o P I P Eo nt h eb a s i so fs e m er e l e v a n tt h e o r ya n df i n a l l yc o n d u c t sa no v e r a l ls t r e s sa n a l y s i so ft h i sp i p e l i n es y s t e m ． I tp o i n t so u tt h a te n o u g hf l e x i b i l i t yo fg r o u n dp i p e l i n er e s u l t si ns os m a l lad i s a c e m e n ta tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h es o i la n dt h e p i p et h a ti ti sn o tn e c e s s a r yt of i xa na n c h o ra tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h es o i la n dt h ep i p e ．T h i si so fs o m es i g n i f i c a n c et oc o n d u e t i n gp i p eS L ／r 嘲e n g i n e e r i n gw h e nab u f f e dp i p e l i n es t r e s sa n a l y s i si sm a d ei nt h eu s eo fA u t o P I P E ． K e yw o r d s A u t o P I P E ；b u f f e dp i p e l i n e ；s t r e s sa n a l y s i s ；s o i ls t i f f n e s s． 0 引言 目前国际通用的管道应力分析软件有C A E S A R1 1 和A u t o P I P E ，埋地理论有L ．C ．P e n g 理论⋯和A L A A m e r i c a nL i f e l i n e sA ] ．1 i a n c e 理论旺1 ，L ．C ．P e n g 理论由于 对土壤参数的处理过于简单且其应用有一定的局限 性，只在C A E S A RI I 中被采用，国内对埋地管道的应 力分析仍采用该理论，但A L A 理论正逐渐获得更多工 程师的认可和应用J 。A u t o P I P E 由于其对土壤参数 的处理更精确更合理，在埋地管道应力分析中比C A E ． S A Rl I 应用得多。 A L A A m e r i c a nL i f e l i n e sA l l i a n e e 即美国生命线 联盟于1 9 9 8 年在美国土木工程师协会 A S C E 和联 邦应急管理署 F E M A 的合作协议下产生，并于1 9 9 9 年第一次出版了埋地钢管的设计导则，用于指导埋地 管道的设计和计算。 收稿日期2 0 1 2 1 1 0 1 收修改稿日期2 0 1 3 0 3 1 9 1 土壤模型的简化及刚度计算 A L A 理论认为管道周围的土壤会发生弹性一塑 性变形过程，且采用离散化的非线性弹簧来模拟土壤 对管道的连续作用。因此，非线性弹簧的刚度决定了 土壤对管道作用的真实情况，土壤对管道的约束作用 在管道的轴向、水平横向、竖直向上、竖直向下4 个方 向，如图1 所示。 图1 中，P 。为单位长度上水平横向最大土壤载 荷；△p 为土壤水平横向最大弹性位移；瓦为单位长度 上轴向最大土壤载荷；A t 为土壤轴向最大弹性位移； Q 。为单位长度上竖直向上最大土壤载荷；A q u 为土壤 竖直向上最大弹性位移；Q d 为单位长度上竖直向下最 大土壤载荷；△庐为土壤竖直向下最大弹性位移。 土壤刚度通过最大土壤载荷与最大弹性位移来 表征，即土壤刚度由该方向上的最大土壤载荷除以该 方向上的最大弹性位移得到。 万方数据 第4 期张连来等A u t o P I P E 在输油埋地管道中的应用1 3 P I ． ’．一j A p ■I ／ ／／／／’ A p ∥ ．．．．L ．．．／，一．P T T I f - 7 _ I A C A tl，， J／ ／ ．．．．．．．．．．．．．1．．．Z一．． T Il a 水平横向 b 轴向 Q _ - A q d q ／，j j A q u j-Il／I／／／／／＼／。| ⋯ Q c 坚直向上、竖直向下 图1 土壤简化双线性模型 2A S M EB 3 1 ．4 2 0 0 9 应力校核准则H o 对于轴向位移受到约束的管道，其应力应满足 S L S h 0 ．9 S ， 1 式中S 。为轴向压缩应力，M P a ；S 。为环向应力，M P a ； S 。为管道的最小屈服极限，M P a ． 对于轴向存在位移的管道，其应力应满足 S E 0 ．7 2 S ， 2 式中S 。为最大热应力，M P a ． 由压力、重力及其他持续性外载荷产生的轴向应 力之和应小于0 ．7 5 0 ．7 2 S 。，由压力、活动载荷、静 态载荷及偶然载荷 如风、地震等 产生的轴向应力之 和应小于0 ．8 S 。． 3A u t o P I P E 建模睛“o 3 ．1 区域划分 A u t o P I P E 用3 个不同的区段来对埋地管道进行 单元划分，其中￡。为横向变形区，由承载跨距决定；￡。 为过渡区，由最大滑移长度决定，计算￡。只是为了得 到￡。；￡。为锚固区，由虚拟锚固段长度决定，L 。 C 。 三。，c o 为无量纲参数，取值范围为1 ．0 - 2 ．0 。D 。为管 道外径。土壤节点间距如图2 所示。 3 ．2 土壤识别 在A u t o P I P E 中，水平管道与垂直管道必须采用不 同的土壤识别符号，尤其需要注意两者过渡处弯头的 处理，因为两者的土壤参数有所差别。首先水平管道 | 0 ．7 5 L 。 1 1r 7 晦意叫A 0 3 ，土壤尊点r r A 0 s 固享冬 3 ．0 2 “ A 0 4 。。 ■弧．i 。哦、．2 0 ／ 。 ． 1 0 0 D 。 区域3 图2 土壤节点间距 的埋深为土壤到管中心的距离，垂直管道的埋深为土 壤至垂直管中心的距离，其次垂直管道的竖直向上土 壤刚度，竖直向下土壤刚度等于水平横向土壤刚度。 4 工程应用 4 ．1 输入参数 某国外油气田地面建设工程中有一条从计量撬 到已有管线的输油埋地管道，其特性参数、环境参数 及操作参数如下 钢管材质A P I 一5 LG r ．B ，规格 I 4 0 6 1 5 ．8 8 ，腐 蚀余量lm m ，流体密度8 5 0k g ／m 3 ，地上管段保温厚度 6 0m m ，保温密度1 6 0k g ／m 3 ，设计温度1 0 5 ℃，操作温 度7 5 ℃，设计压力90 0 0k P a ，安装温度2 5 ℃，环境最 低温度一5 ℃，地震加速度0 ．2 9 ，基本风速4 0m ／s ，风 型系数0 ．7 。当地土壤参数来源于现场地勘报告，如 表1 所示。 表1 土壤参数 土壤至水平管土壤土壤干密度含水量土壤内聚力土壤内摩擦压实 中L , 世l t Y , ／, m 类型／ k g m _ 3 ／％ ／ N m - 2 角／ 。系数 12 2 3 f a tc l a yl7 7 81 4 ．74 30 4 50n9 4 4 ．2 结果分析 A u t o P I P E 管道模型如图3 所示，管系两端为地上 管道，中间为大约8 7m 的埋地管道，由于埋地管线较 长，只取两端部分埋地管段做为图示。 根据土壤参数计算出的土壤刚度如表2 所示，虚 拟锚固段长度厶为1 9 43 8 6 ．6 7m m ． 表2 土壤刚度 出土点A 1 6 、入土点B 0 6 各个方向的最大位移如 表3 所示，其位移较小，不足以倾覆土壤发生管道拱出 万方数据 1 4 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t J u l ．2 0 1 3 地面的情况，因此不需要设计固定墩‘7 1 。 表4 最大应力分布情况 b 图3A u t o P I P E 模型 表3 出土入土处最大端点位移 管系中最大应力分布情况如表4 所示，计算应力 与许用应力的比率小于1 ，即应力满足规范A S M E B 3 1 ．4 的要求，该管系的应力分析结果为通过。 5 结束语 对A L A 埋地理论进行了简单的介绍，并指出利用 A u t o P I P E 进行埋地管道应力分析时的注意要点，最后 对某工程实例进行模拟计算，分析了计算结果，介绍 了A u t o P I P E 的埋地管道理论依据及其应用，对利用 A u t o P I P E 进行埋地管道应力分析有一定的参考价值。 参考文献 [ 1 ] P E N GLC ．S t r e s sa n a l y s i sm e t h o d sf o ru n d e r g r o u n dp i p e l i n e s ．P i p e l i n eI n d u s t r y ，1 9 7 8 ． [ 2 ] G u i d e l i n e sf o rt h eD e s i g no fB u r i e dS t e e lP i p e ．N e wY o r k A - m e r i e a nL i f e l i n e sA l l i a n c e ，2 0 0 1 ． [ 3 ] V e r s i o n5 ．2 0C a e s a rI IU s e rG u i d e ．H o u s t o n I n t e r g r a p h C o r p o r a t i o n ，2 0 0 9 ． [ 4 ] A S M EB 31 ．4 2 0 0 9P i p e l i n eT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m sf o r L i q u i dH y d r o c a r b o n sa n dO t h e rL i q u i d s ． [ 5 ] A u t o P I P ES t r e s sA n a l y s i sP r o g r a m ．C a l i f o r n i a B e n t l e yI n s t i - t u t e ，2 0 0 6 ． [ 6 ]B e n t l e yA u t o P I P EU s e rG u i d e ．C a l i f o r n i a B e n t l e yI n s t i t u t e ， 2 0 0 7 ． [ 7 ]邓道明，袁宗明．埋地管道出土端的补偿设计．管道技术 与设备，1 9 9 7 2 6 1 0 ． 作者简介张连来 1 9 8 0 一 ，工程师，硕士研究生，现主要从事 油气储运工程设计及相关技术研究。 E m a i lz l l y x 7 3 5 8 1 2 6 ．c o m 上接第1 l 页 5 结束语 1 抽油机井管杆偏磨、腐蚀问题产生的原因是 多元的，因此在偏磨及腐蚀问题的治理上也应遵循综 合治理的原则。 2 开发的硼酚醛一环氧树脂涂层材料可有效地 延长油管的使用寿命，防腐防偏磨的效果明显。 3 该种涂料可与其他防腐防偏磨方法配合使 用，综合治理采油管柱的偏磨和腐蚀问题。 参考文献 [ 1 ] 李文革，张献波，牛耀玉．宝浪油田注水井油管内壁腐蚀 原因分析．石油化工腐蚀与防护，2 0 0 0 ，1 7 4 4 3 4 4 ． [ 2 ] L U K A S I E W I C ZSA ．D y n a m i cB e h a v i o ro ft h eS u c k e rR o d S t r i n gi nt h eI n c l i n e dW e l l ．S P E2 1 6 6 5 ，1 9 9 1 ． [ 3 ] X UJ ．D e s i g na n dA n a l y s i so fD e v i a t e dR O d - P u m p dW e l l s ． S P E6 4 5 2 3 ，2 0 0 0 ． [ 4 ]陈星杖，郑云萍，李蕾，等．油气管道的腐蚀与防护技术研 究．管道技术与设备，2 0 1 0 2 4 9 ． [ 5 ] 李健康，郭益军，谢文献．有杆泵井管杆偏磨原因分析及 技术对策．石油机械，2 0 0 0 ，2 8 6 3 2 3 3 ． [ 6 ]蒋晓蓉，黎洪珍，谢南星，等．油管腐蚀因素分析及防腐对 策的研究与应用．钻采工艺，2 0 0 6 ，2 6 1 8 4 8 6 ． [ 7 ] 刘喜宗，李贺军，马托梅，等．硼酚醛树脂的制备和研究进 展．中国胶黏剂，2 0 0 9 ，1 8 8 4 2 4 5 ． [ 8 ] 齐新，翟红，杨丹，等．硼酚醛树脂在涂料中的应用．现代 涂料与涂装，2 0 0 4 3 6 7 ． [ 9 ]掌继峰．纳米钛改性聚合物的制备及其在防腐涂料中的 应用[ 学位论文] ．哈尔滨哈尔滨工业大学，2 0 0 6 ． 作者简介2 J 学彬 1 9 8 7 一 ，在读硕士，研究方向为油气管道腐 蚀与防护。E m a i l 5 6 8 1 7 5 9 1 1 6 3 ．c o r n 万方数据 AutoPIPE在输油埋地管道中的应用AutoPIPE在输油埋地管道中的应用 作者张连来， 霍志欣， ZHANG Lian-lai， HUO Zhi-xin 作者单位张连来,ZHANG Lian-lai中国石油工程设计有限责任公司北京分公司,北京,100085， 霍志欣,HUO Zhi- xin北京沃利帕森工程技术有限公司,北京,100015 刊名 管道技术与设备 英文刊名Pipeline Technology and Equipment 年，卷期20134 参考文献7条参考文献7条 1.PENG L C Stress analysis s for underground pipelines 1978 2.Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe 2001 3.Version 5 20 Caesar Ⅱ User Guide 2009 4.Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids 5.AutoPIPE Stress Analysis Program 2006 6.Bentley AutoPIPE User Guide 2007 7.邓道明;袁宗明 埋地管道出土端的补偿设计 199702 引用本文格式张连来.霍志欣.ZHANG Lian-lai.HUO Zhi-xin AutoPIPE在输油埋地管道中的应用[期刊论文]-管道技术与设备 20134