大口径输油管道水平弯头热弯矩计算方法

2 0 1 2年第 4 0卷第 5期 石 油机械 C HI NA PE TROL EUM MACHI NERY 9 7 一 _ 油气 田开发 工程 大 口径 输油管道水 平弯头热弯矩计算方法 张 成 刚 ( 中国石油大庆油田有限责任公司储运销售分公司) 摘要 ：目前对于大 口径长距 离输油管道弯头热弯矩计算还不完善，设计 时热弯矩偏小，部分 管道弯头在投产后胀裂。为了避免弯头发生胀裂 ，施工 时在每个水平弯头两侧各安装锚 固墩保 护 弯头。这样不仅增加施工时间，也增加 了施工的难度和 范围。通过理论分析并结合 中俄原油管道 中漠大线施工 中提 出的问题 ，认为可以通过建立的数学模 型计算大 口径水平 弯头两端无锚 固墩 时 的热弯矩，计算结果与实际情况相符，说明可 以通过计算，检验弯头在无锚 固状态下的安全程度。 根据影响 因素分析，认为选择大 曲率半径和控制施工时温度可 以代替铺设锚 固墩保 障弯头不被温 差胀裂 ，该分析结果可为控制管道 的施工进度、利润 、安全性提供理论依据。 关键词：大 口径管道 ；弯头；热弯矩；锚固墩 ；漠大线 中图分类号：T E 9 7 3 4 文献标识码：A 文章编号 ：1 0 0 1 4 5 7 8( 2 0 1 2 )0 5一 O 0 9 7 0 4 M e t ho d t o Ca l c ul a t e t he The r ma l Be nd i ng M o me nt o f Ho r i z o n t a l El bo w o f La r g e Di a m e t e r Oi l Pi p e l i n e Zh a n g Ch e ng g a n g ( S t o r a g e ， T r a n s p o r t a t i o n a n d S a l e s B r a n c h C o m p a n y ， P e t r o C h i n a D a q i n g O i lfi e l d C o ， Dd ) Ab s t r a c t ：At p r e s e n t t h e c a l c u l a t i o n o f t h e t h e r ma l b e nd i n g mo me n t o f l a r g e d i a me t e r l o n g d i s t a n c e 0 i l pi p e l i n e e l b o w i s n o t p e r f e c t Bu r s t i n g ha p p e n s t o s o me p i p e l i n e e l b o ws whe n t h e y a r e p ut t o u s e Th e a n c h o r b l o c k i s i n s t a l l e d o n bo t h s i d e s o f e v e r y h o r i z o n t a l e l b o w t o p r o t e c t i t S O a s t o a v o i d b u r s t i n g i n c o n s t r u c t i 0 n I n t hi s wa y t h e t i me a n d p r o f i t a r e wa s t e d i n t h e p r o c e s s o f c o n s t r uc t i o n Me a n wh i l e，t h e d i f f i c u l t y a n d s c o p e o f c o n s t r u e t i 0 n a r e i n c r e a s e d Th r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a nd r e f e r r i n g t o t h e p r o bl e ms i n t h e c o n s t ru c t i o n o f t he Mo h eDa q i n g l i ne 0 f t h e Si n oRu s s i a n p e t r o l e u m pi p e l i n e，i t i s s ug g e s t e d t h a t t he ma t h e ma t i c mo d e l e s t a b l i s h e d c a n be a d o p t e d t o c a l c u l a t e t h e t he r ma l b e n d i n g mo me n t o f l a r g e d i a me t e r ho r i z o n t a l e l b o w whe n t h e r e i s no a n c h0 r b l 0 c k o n bo t h 0 f i t s e n ds Th e c a l c ul a t i o n r e s u l t i s i n a g r e e me n t wi t h t h e p r a c t i c a l c o n d i t i o n whi c h i n d i c a t e s t h a t t h e s a f e t v 0 f t h e e 1 b o w wi t h o u t a n c h o r b l o c k c a n b e t e s t e d t h r o u g h c a l c u l a t i o n Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o f t he i n fl ue n c i n g f a c t o r s，i t i s b e l i e v e d t h a t s e l e c t i o n o f l a r g e c u r v a t ur e r a d i u s a n d c o n t r o l o f t h e t e mp e r a t u r e i n c 0 n s t r u e t i 0 n c a n r e pl a e e t h e 1 a v i n g o f a n c ho r b l o c k t o pr e v e n t t h e e l bo w f r o m bu r s t i n g d u e t o t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e ，wh i c h p r o v i d e s t h e t h e o r e t i c a l b a s i s f 0 r t h e c o n s t ruc t i ng p r o g r e s sp r o fit a n d s a f e t y o f c o n t r o l p i p e l i n e Ke y wor ds： l a r g e d i a me t e r p i pe l i n e； e l b o w ； t he r ma l b e n d i n g mo me n t ； a n c h o r b l o c k； Mo h eDa q i n g l i n e 0 引 言 目前我 国大 口径 、长距离输油管道具有所经过 的地域温差大 ，所 穿越区域地理环境变化 大 的特 点。在施工过程 中，由于地处环境及管道长度的特 殊性，使得大口径、高压力、冷安装的直埋管道得 到了普遍的应用 。大 口径长距离输油管道设计施工 基金项 目：国家 自然科学基金项 目 “ 超重力流化床气 固相 间作用机理与颗粒流矩模型的研究” ( 2 1 0 7 6 0 4 3 ) 。 一 9 8一 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 5期 的复杂性 ，在中俄原油管道漠河至大庆段漠大 线 ，体现得尤为突 出。漠 大线全 长 9 2 6 k m，经过 森林、丘陵、永冻土等生态环境脆弱的地区，是 目 前国内第 1 条穿越原始森林大兴安岭地区的输油管 道 。在这种特殊环境下 ，水平弯头的施工量非常之 多，其 中施工与运行后的温差产生热弯矩 ，是引起 管道二次应力的主要 因素，热胀冷缩受到外力约束 的时候 ，在管道中产生了较大 的二次应力 ，即热应 力。但是 ，目前围内没有明确 的、针对于大 口径直 埋管 道 弯头 热 弯矩 计算 标 准 ，一 般 工程 中采用 D N 5 0 0以下规程的设计 理论 ，将其简化为一个点 ， 采用弹性抗弯铰解析法进行应 力计 算 J 。按 照以 往的标准 ，计算出弯头施工温度与运行介质温度间 温差所引起的热胀应力偏小 ，所以在工程中大多数 弯头都需要设置固定墩和补偿器来保护弯管。对于 长距离管线的铺设 ，大量的固定墩和补偿器会造成 管道的投资成本和施工量增加等一系列 问题 。现场 施工 中急需确定计算无锚固墩水平弯头热弯矩的方 法 ，以提供依据来减少锚固墩的铺设。 1 数学模型的建立 长距离输油管道 的弯头两侧 ，直管段距 离很 长 ，并且在直埋铺设 的前提下 ，弯头两侧会回填具 有弹性的土方 ，所以在不设锚 固墩的情况下 ，弯头 每侧实际上都存在一个过渡段与 自锚 区。在过渡段 内各截面皆有横向位移 ，在 自锚区外各截面位置由 于管道刚性及土壤作用保持不动。所以在弯头过渡 段与 自锚区之问存在分界面 ，在分界面处管道变形 的轴向力与温度变化 的热膨胀 力相平衡 J 。根据 分界面处受力平衡得到公式 ： ：c E A T ( 1 ) 式中 钢材的膨胀系数 ，H ( m ) ； 卜安装温度与工作温度的温差 ， o C； A 弯管管壁平均截面积 ，m ； E 钢材的弹性模量 ，MP a ； 管道 自身刚性及土壤阻止变形的轴 向 顶 力 ，N。 根据边界条件及力学中两端无 限远锚固角变形 增量公式 J ： 一 a T El b 、 J 其 中 ， ：耵 r 6 ( 3 ) K ： f 4 A A ： ( 5 ) r一 式 中R 弯头曲率半径 ，m； 西 弯头的夹角 ，r a d ； 无锚 固弯头升温产生的弯矩 ，N m； 弯头的柔性系数 ； ， 弯管截面的轴惯性矩 ，m ； 6 弯管壁厚 ，m； A 弯头参数 ； r 弯管平均半径 ，m。 根据公式 ( 2 )及边界条件对其进行求解 ，得 到无锚固弯头升温产生的弯矩数学模型 ： M= c 1 0 6 O tE A T F Z ( L _ 1 ) t g 其中 L= , 1+ 2 ( F z ) ， = r 6 Cm = A t g 要 丽 ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) 式 中 直管截面的轴惯性矩 ，m ； d 管道外径 ，m； F 一直管单位长度受土壤的摩擦力 ，M N m； 6 直管段壁厚 ，m； c 土壤对管道侧向压缩反力系数，N m。 。 2 弯 头材料尺寸及特性 研究对象选取漠大线上连釜首站至塔河中间泵 站管道上的水平弯头 。弯头具体参数及部分土壤属 性见表 1 。此段管线穿越永冻土区域 ，且管道所用 弯头多是热煨预制弯头 ，当 尺1 0 d时采用冷煨 弯 管。管道直管段管径为 8 1 3 m m，设计压 力为 8 0 MP a( 局部为 8 5 1 0 0 M P a ) ，管材采用 I A 5 0级 钢，管内介质平均温度为 5 0 ，冬季施工极端温 度 一 3 2 3 ， 施工平均温度为 一2 5 。 研究对象 6 、 L Z ， 2 g A + m C + r， 、【 一 l 0 0一 石 油机械 2 0 1 2年第4 0卷第 5期 胀弯矩大 ，而且弯头角度在 1 05 0 。 时，热弯矩 比 较大。 可见， 弯头的危险角度在1 0 5 0 。 范围内， 5 结 论 并不是越大越危险。 一 1 9 Z 1 4 邑 0 9 静 最 0 4 图 1 温差对 弯头热 弯矩的影响 F i g 1 E f f e c t s o f t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e o n t h e r ma l be n d i n g mo me n t o f e l b o w 图 2 角度 对 弯 头 热 弯 矩 的 影 响 F i g 2 E f f e c t s o f a n g l e o n t h e r mal b e n d i n g mo me n t o f e l b o w 4 3 曲率半径对弯头热应力的影响 曲率半径对弯头热应力的影响如 图3所示。由 于材料及弯头角度一定 ，单纯地改变弯头 曲率半径 对弯头热弯矩是没有影响的，但是曲率半径的改变 影响着公式 ( 1 2 ) 中的弯头参数 ，所 以 曲率半径 对弯头热胀性质的影响要从热应力的角度 出发 。从 图 3可以看出，弯头热应力随弯头曲率半径的增加 而减小 ，这是因为曲率半径越大 ，弯头的整体长度 越长 ，可以近似为直管段 ，所以弯头的补偿作用逐 渐 向直管转化变为锚固作用。 苫 R 唇 赠 图 3 曲率半径对 弯头热应力的影响 F i g 3 E f f e c t s o f c u r v a t u r e r a d i u s o n t h e r ma l s t r e s s o f e l b o w 以往的设计标准由于计算过程 中将管道简化为 扭力梁 ，并且应力检验公式不完善 ，以至于在施工 中都需额外设置锚 固墩保护弯头。通过笔者建立的 数学模型可以计算 出大 口径无锚固水平铺设 的弯头 由于温差产生的热弯矩 ，同时参照新的弯头强度检 验公式 。由此清楚地认识到大 口径直埋管道弯头的 安全性 ，通过控制施工温度 ，选择大曲率半径的弯 头来代替锚 固墩 的铺设 ，并通过对弯头热弯矩影响 因素分析 ，得到 以下结论。 ( 1 )选择合适 的弯头角度 ，尽量避开 1 0 5 0 。 的危险角度 ； ( 2 )计算出的热 弯矩不符合应力要求 ，可 以 选择大曲率半径 的弯头来满足应力要求 ，但是如果 曲率半径过大将使得弯头整体长度过长 ，设计时不 予采纳 ，但可以采用满足设计要求的大曲率半径弯 头 ，同时通过控制施工温度来保证弯头的安全性 ； ( 3 )对于