魏星1 浦哲2 邱俊2

1.上海天然气管网有限公司； 2.上海市特种设备监督检验技术研究院

摘要：由管道沉降造成的应力集中是管道失效的常见形式。而管道支撑不当或失效是导致管道沉降的一个重要因素。利用CAESAR Ⅱ软件对某天然气公司阀室管道系统进行应力分析，在管道下方设置弹簧监测装置，结合定期应力检测，尽早发现管道或管道支撑沉降并及时采取治理措施。弹簧检测装置还能起到辅助支撑作用，以有效降低管道应力，消除隐患，保障管道安全。

关键词：CAESAR Ⅱ软件；管道支撑；应力分析；管道沉降监测

由管道沉降造成的应力集中是管道失效的常见形式。管道沉降的一个重要原因就是管道支撑不当或失效[1]，目前管道或设备底部大部分采用管道基础+管道支撑（硬支撑），由于地面沉降会导致管道与某些管道支撑之间产生间隙。这时原有支撑力消失，管道产生应力集中或位移，超过一定限度可能失效引发泄漏或爆炸[2]。因此，探讨管道沉降监测非常必要。

上海某天然气公司多个阀室地面黄沙沉降，导致管道支撑多处沉降，管道连接处应力增大，存在安全隐患。该公司立即采取消减措施消除应力集中，并设置管道沉降监测装置进行实时监测。本文以其中一个阀室为例，分析总结管道沉降监测效果。  

1  管道沉降现状及监测

该阀室管道沉降情况如图 1所示，部分管道基础脱空，支撑失效，管道应力增大。现场采取应力释放、并重新制作管道基础、加固管道支撑等治理措施。

图 1 管道支撑脱空及地面黄沙流失现状

为便于今后观测阀室管道沉降情况，设置了弹簧沉降监测装置，如图 2所示。布设方法为：①将阀室内旁通阀门一侧的原固定支架改为带有位移应力监测功能的弹簧支架（带有刻度指针）；②分别在弹簧支架的下方管道基础及上方管道处设置沉降监测点；③测量并记录指针刻度及各监测点的数值作为初始值；④定期检测并记录数据，与初始数据进行差异比对及原因分析，据此采取相应治理措施。

图 2 阀室管道沉降监测装置布置示意图

2  基于CAESAR Ⅱ的管道应力分析

CAESAR Ⅱ软件是美国COADE公司开发的管道应力分析专业软件，是以梁单元模型为基础的有限元分析软件[3]。应力分析主要步骤为:数据输入与建模、设定工况、模型检查、分析计算等。为开展管道系统应力分析、弹簧支架初始载荷设置和选型、管道沉降监测提供依据。

2.1  数据输入与模型建立

CAESARⅡ采用逐个单元输入的方法，通常将管道系统划分成多个单元，每个单元由两个节点组成。在“经典管道输入”界面，依次输入管体尺寸（直径、壁厚、长度）、操作温度、设计温度、操作压力、设计压力、管材特性（弹性模量、线性膨胀系数、许用应力等）、管件（弯头、三通、大小头等）、介质密度、腐蚀裕量、外保温层（厚度、密度等）。参数输入完毕点击“确定”按钮后就会生成初始管道模型。

2.2  工况定义

一般来说管道工况包含设计、安装、试压、运行等各种工况，每种工况的压力、温度等均有差别[4]。为了校验管道应力情况，考虑温度对阀室管道应力影响较小，本文选定冷态持续工况（SUS）。

2.3  模型检查

CAESARⅡ软件提供模型检查功能，即计算前用软件中提供的“数据检查”按钮，检查建立的模型是否有错误。然后根据检查结果进行更正，直到模型没有错误时进行分析计算。

2.4  土壤模型

管道运动要克服土壤的约束力，土壤模拟的优劣直接关系到应力计算结果的准确性。本文采用Peng理论模拟土壤约束，按照“CAESAR II Basic Soil Model”建立土壤模型[5]。

同上，在参数设置界面定义完成土壤参数后，点击“Concert Input”，CAESAR II软件自动将初始模型转换成带土壤约束的最终模型，如图 3所示。

图 3 管道模型示意图

3  数据计算

采用ASME B31.3进行管线应力校核，校核准则为：① 管线上各节点的应力值应小于许用应力；②管线对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；③管线的最大位移量应能满足管线布置的要求。

3.1  管道正常情况下应力分析

基于管道最终模型，点击“Batch Run”进行管道应力计算。

管道未发生沉降的正常情况下，现场布置从左往右4处弹簧支架应力的计算结果见表 1。根据表 1弹簧受力结果可选择安装合适的弹簧支架，并设置其初始载荷。

表 1 正常情况下阀室管道弹簧支架受力情况

3.2  左侧地面塌陷且无弹簧支架情况下应力分析

假设该阀室左侧地面塌陷，导致管道基础下沉，左侧管道支撑失效，在没有安装弹簧支架情况下，进行管道应力计算。

通过计算发现，左侧6处管道支撑完全失效情况下，整个管网系统应力最大点在80#节点处（即最外侧旁通阀右边第一个三通处），一次应力值已达到许用应力的104.7%，超过许用应力，存在安全隐患。

3.3  左侧地面塌陷且有弹簧支架情况下应力分析

假设阀室左侧地面塌陷，导致管道基础下沉，左侧管道支撑失效，但有弹簧支架辅助支撑，进行应力计算。

结果发现，管道左侧硬支撑失效、但弹簧支架有效支撑情况下，整个管网系统应力最大点在130#节点处（即最外侧旁通阀左边第一个三通处），其一次应力值仅达到许用应力的39.6%，完全处于安全范围。此时，前述没有弹簧支架情况下管道应力最大点（80#节点处）的应力值仅为许用应力的26.2%，比之前的104.7%下降了78.5%，应力显著降低，消除了安全隐患。

同时，分别计算前述各节点支撑力（表 2），结果说明，弹簧支撑力会按照现场情况自动调整，从而有效降低了管道应力。

表 2 左侧地面塌陷时阀室管道弹簧支架受力情况

3.4  管道沉降监测效果

（1）在管网系统中加入适量的弹簧监测装置，基于CAESAR Ⅱ计算弹簧支撑力，并据此指导选型，大大提高了监测可靠性。

（2）弹簧监测装置可以配合硬支撑一并使用，当发生地面或管道基础沉降导致管道支撑失效时，弹簧支架对管道起到一定的支撑作用，从而降低管道应力，消减安全隐患。

（3）通过观察沉降监测装置上弹簧的伸长量，可以得出管道基础与管道之间的间距变化。分别在管道基础和上方管道上设置沉降监测点，并每月进行检测，可以及时发现管道或管道基础沉降情况，针对管道基础沉降及时调整管道支撑高度，针对管道沉降及时采取应力消减措施。

4  结束语

在基于CAESAR Ⅱ应力分析基础上，提出了在管道系统中安装带有位移应力监测功能的弹簧支架监测装置，在起到降低应力、保护管道的作用的同时，监测管道基础与管道位移情况，及时发现隐患，并采取消减措施，从而保障天然气管道系统运行安全。

 

参考文献：

[1]唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2010.

[2]中华人民共和国工业和信息化部.石油化工管道柔性设计规范：SH/T 3041-2016[S].北京：中国石化工程建设有限公司，2016：01.

[3]丁清一，崔磊. CAESAR II用于埋地管道应力模拟[J].石油天然气学报，2010，32（5）：623-626.

[4]国家质量技术监督局，中华人民共和国建设部.工业金属管道设计规范：GB 50316-2000（2008年版)[S].北京：中国计划出版社，2000.

[5]PENG L C.Stree analysis methods for underground pipelines[J].Pipeline Industry,1978（5）：65-74.

作者简介：魏星，1982年生，硕士，高级工程师，主要从事天然气管网运行与输配等工作。联系方式：18221300020， 20012040@163.com。