CAESARⅡ用于埋地管道应力模拟.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0 年 1 0 月第3 2 卷第 5 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 O c t ． 2 0 1 0 V o 1 ． 3 2 N o ． 5 6 2 3 C AE S A RⅡ用于埋地 管道应力模 拟 丁清一 ，崔 磊 中国 石油天然气管 道局国际事业部， 河北廊坊0 8 5 0 0 0 [ 摘要]从埋地 管道 应力分析理论入手，通过利用 C A E S ARI I 软件对土壤条件的近似模拟 ，建 立 了较为 准 确 的埋地管道应力分析模型 。通过就管道 周 围土 壤对 约束状 况 的模 拟， 以期 对埋地 管道进 行较为 细致全 面的应力分析 ，并建立合理 的推力模型 指导管道 出土 点 固定墩 的设 计。 以苏 丹管道 工程项 目为例进 行 了 应力计算及分析 ，同时对 出入站 固定墩推力也进行 计算，收到 了良好的效果 。 [ 关键词]C AE S ARI I ；埋地 管道 ；应力分析 ；推力计算 [ 中图分类号]T E 9 7 3 ． 1 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 0 0 5 0 6 2 3 一O 4 1 理论基础 与地上 管道 一样 ，埋地 管 道也是 根 据环 向应力 来决 定 壁厚 ，再 用轴 向应 力 或环 向应力 与 轴 向应 力 的组合应力进行校核。对于埋地管道应力分析存在主要的问题就是如何真实地模拟土壤约束。土壤约 束管道的位移并施加给管道外力 ，这种力可分为 2类 一类是土壤阻止管子滑动的轴向摩擦力，一类是 管子推动土壤而产生的横向土压力。 埋地 管 道实 际的 土壤约 束力 可简 化为 图 1 所 示 。 埋地管道 土壤压力 理想模型 图 l 埋地管道 实际的土壤约束力简化示意 图 理想 化模 型可 以简化为 管 子上表 面 的力 w 和管 重 w 及 管 子下 表面 的力 w W 因此轴 向摩擦 力 估 算为 f Mu V W 一 Mu p DH W 1 式中， 厂为轴向摩擦力 ， k g ／ m； Mu为摩擦系数 ， 常数 ； |D 为回填土密度 ， k g ／ m。 ； D为管子外径 ， m； H 为管顶 埋 深 ， m； W 为 管子 充液 总重 ， k g ／ m。 当管子要横 向移动时会产生压力 ，推动土壤。管道分析 中经常见到 3种不同的横向土壤作用力 ，如 [ 收稿 日期]2 0 1 00 7 2 0 [ 作者简介]丁清一 1 9 7 4一 ，男，1 9 9 7 年石油大学 华东毕业 ，高级工程师 ，现从事设计管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0年 1 O 月 图 2 a 、 b 、 c 所 示 。每一 种 横 向阻 力作 用都 可 理想 化 为两 个 作用 阶 段 一是 弹性 阶段 ，该 阶段 阻力与 管子 位移 成正 比；另一个 是粘 滞 阶段 ，此时 阻 力 为 一 常数 ，如 图 2 d 所 示 。这种 理 想 模 拟 与 实际土壤约束变化有一定的不同，但其模拟精度已足以满足工程需要。 柱 略 a 上向力 b 下向力 c 侧向力 d 力． 位移曲线 图 2 3种不 同的 土壤作 用力 2 土壤 约束 力近似模拟 位移 以地沟中管道为例 图 3 ，这种类 型的约束可以模拟为双线形约束。侧 向如 图 4 、垂直向如 图 5 类似于弹簧所示 ，规定弹性刚度 ，一个极限荷载及一个粘滞刚度 近似于 O 。土壤将不只是限制管 子位 移 ，而且通 过力偶 限制其转 动 。 I 作 用 刀 最大荷载一 。厂一 { K { K 。 ／ ．．．．．．．．． ．． 一 最大 荷载 I 作 用 力 1 0 } 一 K 1 f ／ 一 最大荷载 图 3 地 沟内管道 图 4侧 向土壤弹性模型 图 5 竖 向土壤弹性模型 y 土壤 约束 的刚度 可 以通 过 土壤 弹性模 量 乘 以外 径 得 到 ，如果 土 壤 模 型不 清 楚 的话 ，刚度 可 以 由其 他土壤参数确定 。例如 ，对于侧向运动 ，在管子前表面将产生被动土压力 。极限载荷和理想化模型的弹 性作 用可 以从 各种 土壤参 数来 估计 ，如 K一3 3 ． 3 3 6 p D HD t g 。 4 5 。 罟 2 、 厶， U一告 10 D HD t g 。 4 5 。 号 3 式中， K为作用于单位管道长度上的土壤线刚度 ， N／ mm。 ； |D 为回填土的重量密度， N／ mm。 ；H 为土壤表 面到管道顶部的深度 ， mm； D为管道外径 ， mm； 为管道横向位移的土壤摩擦角 沙土取 2 7 。 ～ 4 5 。 ， 淤泥 取 2 6 。 ～ 3 5 。 ， 粘土取 0 。 ； U为作用于单位管道长度上的土壤最大推力 ， N／ mm。 2 ． 1土壤模 型 的建立 一 般土壤模型的建立需要提供以下参数 摩擦 系数 ；土壤密度；管顶埋深 ；摩擦角；干剪切强度； 夯 实系数 ；线膨胀 率 ；安装 与操 作工 况 的温差 。 土壤密度和摩擦系数可从沿线地质勘测的土壤测试中获得 ，若得不到这些数据 ，一般摩擦系数和摩 擦 角可 按表 1取值 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2 卷 第 5期 丁 清一 等 C AE S ARl I 用于埋地管道应 力模 拟 表 1 不 同类型土壤的摩擦系数及摩擦角 无排水剪切强度和摩擦系数存在一定 的关系 ，故两项参数可任取其一 。夯实系数 即回填土压缩程 度 ，地下管夯实系数一般取 8 ，但结果导致保守的约束刚度 ，实际计算一般减小到 4 ～6 范围内。 如果不知道实际土壤定量数据 ，可 以用近似土壤性质来模拟土壤约束 。在这种情况下，近似土壤模 型可能会提供给实际土壤一个很好的估计。 2 ． 2 网格 划分 典型的埋地管道位移与地上管道不 同。埋地管侧 向变形主要位于弯头及三通附近，而远离该处的变 形则主要是轴 向的。因而影响侧向变形元素长度的定义会直接影响到土壤约束力的准确分配 ，模拟侧向 支撑 长度 由下式 计算 L b一 0 ． 7 5 n [ 4 E I L／ K 4 式中， L 为横向位移较大的区域范围， mm； E为管道弹性模量 ，MP a ； 为管道界面惯性矩 ， mm ； K 为作 用 于单位管 道 长度上 的土 壤线 刚度 ， N／ mm。 。 为了准确模拟荷载分配，在模拟埋地管道时 ，要将模型划分为长度不等的 3 种 网格 区域 。管系的侧 向支撑 跨度 定义 为一 区长度 ，管系 的轴 向位移 长度 定义 为 三 区长 度 ，介 于二 者之 间的 长度定 义 为二 区长 度 。 一 区是埋地管道模拟的重要部分 ，因为该区域是土壤约束力 比较集 中地方 ，此时需要计算侧向支撑 长度 。而二区、三区约束力则可以简化模拟。一区长度一般定义在以下区域 管道走向改变处；管系交 汇处 ；管道 出入 土点 。 在模 型模 拟过 程 中 ，以下几 点应 予 以注意 ① 埋管 长度 不应小 于 2 0 0 3 0 0 f t 1 f t 0 ． 3 0 5 m ，只 有 这样才可 以准确模拟积累固定 的影响。②直径大于 1 2 i n 1 i n 2 ． 5 4 c m的管子 ，节点布置距离不应大 于 2 0 D D为管外径 。③而对于直径在 1 2 i n及其 以下的管子 ，节点距离不应大于 3 0 D。每一节点辅助 面 积计算 如下 1 A 一 - 去 - L1 D1 L 2 D2 ⋯ L D 5 厶 式中， A为辅助面积 ， m。 ； L 为第 i 段管子的长度 ， m； D 为第 i 段管子的外径 ， m； 为组成节点 的管段数 量 。 1 土壤地基弹性模量最好从实际土壤测试 中得出。也可依据表 2近似模拟 。每一节点的有效土壤 约束刚度是其管径乘以土壤弹性模量计算得出的 。 表 2 不同土壤类型对应的弹性模量 土壤类型 弹性模量 ／ MP a 疏松沙层 中等密集沙层 密集沙层 粘土和密集沙层 粉质和密集沙层 粘土 q u 4 k s f 粘土 q u 8 0 0 k s f 粘土 q u 1 6 1 0 k s f 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 6 石 油天然气学报 江汉石 油学 院学报 2 0 1 0年 1 0 月 2 在适 当节点处将已知刚度的横向约束 和代表阻力偶的可能旋转约束插入管道模型中。 3 因埋 管 重量在 长度 方 向被均 匀支 撑 ，埋 地 管 的重量 载荷 在管 道 中不 产生 偏 移 、应 力 和力 ，故 将 管道 密度设 为零 。 4 为了更准确计算 固定载荷 ，被设计用来 阻止埋管热胀 的膨胀节或固定墩 ，建议计算刚度减少 2 5 左右 此部分内容在模拟土壤的过程中 。 2 ． 3模型转 化 土壤模 型及 网格 定义 一旦 完成 ，原 始模 型 即可 自动 转化 为埋地 模 型 。转 化过 程 中可能会 出现警告 信 息 ，这是因为，弯头处节点在埋地后会 自动重新划分，一些人为约束也被 自动取消。转化后的埋地模型 也可以重新人为定义约束 如埋地 固定墩的定义 ，及 土壤约束刚度的重新输入 。当模型优化完整后 ， 便可较为真实的模拟埋地管道应力状况。 3 计算实例 以苏 丹 管道 工 程项 目为 例 ，进 行 应 力 计 算 及 分 析 ， 同时对 出入 站 固 定 墩 推 力 也 进 行计算 。 管道基 本参数 操作压 力9 ． 7 2 2 MP a ； 操 作 温 度 6 O ℃ ；环境 温 度 2 O ℃ ；管 径 7 1 1 ． 2 ram；壁 厚1 0 ． 7 2 ram； 材质 为 A P I 5 L X 6 5 。 图 6 管道约束及节点布置图 管道约束及节点布置如图 6所示 。C AE S ARⅡ模拟结果与手工计算结果对比见表 3 。 表 3 C A E S A RⅡ模拟 结果 与手 工计算结果对 比表 由表 3可以看出，软件模拟计算结果 比手工计算减小 1 3 0 t 减小 3 8 ，这样直接节约工程成本 3 0 0 0 美 元／ 个 商 品 混凝土 按照 3 0 0 美 元 ／ m。计算 。按 照苏 丹 管 道 每站 2个 固 定 墩计 算 ，可 以节 省 投 资 6 O万美 元 按照 2 0个 固定 墩计 算 。 4 结 语 目前 苏丹 输油 管道 已经运 行 了 1 O多年 ，未发 生任 何 管道 应力 损 伤 或者 固定 墩倾 覆 事 件 ，说 明该 软 件模拟的土壤约束是真实可靠 的。然而手工计算无法较真实地模拟土壤约束 ，无法进行细致的应力分 析 ，所以也只能保守地计算管道推力 ，从而增加 了项 目施工成本。 目前 C AE S A R 已经广泛应用在输油 气管道行业管线应力分析、土壤模拟以及推力计算中，并收到了良好的效果。 [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m