中緬輸氣管道瀾滄江段地震工況的應力分析

賀　三　張伊恒　梁武東

（1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川　成都　610500；2.中國石油長慶油田工程技術管理部，陜西　西安　710021）

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中緬輸氣管道瀾滄江段地震工況的應力分析

賀三1張伊恒1梁武東2

（1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500；2.中國石油長慶油田工程技術管理部，陜西西安710021）

摘要中緬天然氣輸氣管道瀾滄江跨越工程位于怒江瀾滄江地震帶，為確保輸氣管道運行安全，減少地震威脅和避免次生災害的發生，建立了瀾滄江跨越段及兩側高陡邊坡整體應力分析模型，以分析軟件CAESAR II作為模擬手段，以ASCE 7-10規范作為地震載荷計算依據，采取不同地震載荷組合的形式對瀾滄江段輸氣管道進行應力影響分析。分析結果表明：橫向地震載荷對管道的應力影響最大；跨越段起終點及兩側管道固定墩為應力集中點，其中江頂寺側固定墩處應力值最大；管道所受應力處于許用應力范圍內，滿足國內管道設計規范要求，但校核應力若采用管材許用應力的90%則超出了規范要求，存在運營安全風險。

關鍵詞中緬輸氣管道瀾滄江地震帶應力CAESAR II軟件

修訂回稿日期：2016－02－13

0　引言

中緬輸氣管道是繼中亞油氣管道、中俄原油管道、海上通道之后，我國第四大能源進口通道。中緬輸氣管道西起緬甸的皎漂港，從云南瑞麗進入中國，終點到達廣西貴港，全長2 520 km，緬甸境內段長793 km，中國國內段1 727 km，年輸氣量達到120 ×108m3。瀾滄江跨越段輸氣管道位于云南省保山市和大理自治州交界處，跨越南岸連接巖鷹山隧道出口，北岸連接江頂寺隧道入口。由于該段工程跨越較多地貌微單元，高陡邊坡高差大，局部坡度較陡，坡面不完整，且位于怒江瀾滄江地震帶，隨著時間的增加，管道轉角點或截面等應力集中處易產生失效破壞。因此有必要在地震工況下對該管道段進行應力分析，確定應力集中的位置和大小，為管道的安全運營管理提供保障［1］。

1　管道應力及校核

載荷是管道產生應力的主要原因之一，根據應力基本特征，將應力劃分為一次應力、二次應力和操作應力。其中一次應力具有無自限性，易引起塑性破壞；二次應力具有自限性和局部性，易引起疲勞破壞。由于載荷、結構形狀的局部突變而引起局部應力集中的最高應力值稱為操作應力，它是導致脆性斷裂和疲勞破壞的直接原因［2］。

為保證管件的強度安全，通常將許用應力［σ］作為衡量構件是否滿足強度要求的依據，關系式為：

管道由于熱脹冷縮、端點附加位移或受到約束等因素，會產生相應的軸力、剪力、彎矩和扭矩，一般應力計算后需要進行一次應力、二次應力和操作應力的校核。管道一次應力不得超過設計溫度下管材的許用應力；管道二次應力不得超過許用應力范圍；操作應力即σL與σE之和σOPE，應滿足：

式中，［σ］為管材的許用應力，MPa；F為不同地區強度設計系數；φ為焊縫系數；σS為管道材料標準中規定的最小屈服強度，MPa；σL為由縱向應力與重力、風荷載等外載荷在管道中產生的縱向彎曲應力之和，MPa；σE為二次應力，MPa；σOPE為操作應力，MPa。

2　管道模型的建立

采用應力分析軟件CAESARII進行應力分析［3］，CAESAR II對管道應力的分類、校核以及執行標準都與國內管道設計規范相類似，不同的是管道校核許用應力值采用的是管材許用應力的90%。選取中緬輸氣管道瀾滄江段管線為研究對象，管道具體參數見表1。

表1　瀾滄江段輸氣管道參數表

模型包括巖鷹山側（南側）高陡邊坡段管道（A段）、跨越段管道（B段）和江頂寺側（北側）高陡邊坡管道（C段）。按照軟件建模的節點，分析對象包括3個部分：節點20～320（A段）、節點320～620（B段）、節點620～770（C段）。A段管道模型長約190 m，節點10～20（10 m）為邊界段管道，用以截斷外界管道對模型管道的影響，在節點10處設置固定支墩（ANC），高陡邊坡段最大傾斜角度為60°35′，終點（管道出土點）為320節點；B段管道模型長約340 m，起點為320節點，終點為620節點，跨越長度為280 m；C段管道模型長度約150 m，起點（管道出土點）為620節點，節點770～780（10 m）為邊界段管道，用以截斷外界管道對模型管道的影響，故此段管道實際長度約140 m，在節點780處設置固定支墩（ANC），高陡邊坡段最大傾斜角度為74°25′。建立的管道模型如圖1所示，圖中數字為節點號。

圖1　天然氣管道模型圖

3　地震工況下的應力分析

3.1地震作用計算

靜態地震載荷值需要通過計算獲得。根據ASCE 7-10的規定，水平地震加速度為［4］：

且有：

縱向地震加速度為：

式中，SDS為5%阻尼系統的短周期設計譜反應加速度，m／s2；αmax為GB 50011中規定的水平地震影響系數最大值，m／s2；ap為組件放大系數，管道取2.5；Ip為組件重要系數，管道取1.5；Rp為組件的響應修正系數，管道取12；z為節點距離結構基點的高度，m，對于低于基點的組件取值為0；h為結構頂部距基底的平均高度，m。

根據ASCE 7-10規定，最終結果需要在式（3）和式（5）基礎上分別乘以0.67，得出：

該地區抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20 g（g＝9.81 m／s2）。根據GB50470-2008油氣輸送管道線路工程抗震技術規范規定［5］，大型跨越應按50年大于2%概率的地震動參數進行抗震設計［6］。根據地震評價部門給出的地震參數，瀾滄江跨越位置50年大于2%概率地震峰值加速度為0.28 g。

根據GB50011可查得保山的αmax為0.90 g，由公式（3）～（6）可以算出該段管道所受的地震作用，橫向地震加速度為0.29 g，縱向地震加速度為0.1289 g，軸向地震加速度為0.29 g。

3.2管道應力分析

該管道最小屈服強度為551 MPa，選擇管道運行工況作為分析對象。根據管道的不同加載條件，將不同加載條件進行以下組合，如表2所示。

表2　管道運行工況組合表

從表2可知，L1工況加載了自重（W）、溫度（T）和管輸壓力（P），L2、L3、L4分別在L1工況上加載了橫向、縱向和軸向地震載荷。通過對比模擬分析，4種工況對應的分析結果如圖2所示。

由圖2可知，對比工況L1，在加載縱向或軸向地震載荷后，整段天然氣管道的應力分布沒有明顯變化；而在加載橫向地震載荷后，巖鷹山側固定墩處（節點320）、跨越段起點管夾處（節點340）、跨越段終點管夾處（節點600）以及江頂寺側固定墩處（節點620）應力變化較大，且在節點620處的應力值達到496.92 MPa，達到許用應力的90.19%，其原因是：當加載地震載荷后，在兩個固定蓋板節點處，蓋板內為土壤，蓋板外架空，由于兩端載荷差異大，易出現應力集中；在兩個管夾節點處，節點處于彎管附近，且所受約束條件不同，也容易出現應力集中；而且管道縱向和軸向的約束很大，管道橫向約束作用較小，則橫向地震載荷對應力的影響最大。

從表2可知，L5工況加載了自重（W）和管輸壓力（P），L6、L7、L8分別在L5工況上加載了橫向、縱向和軸向地震偶然載荷。通過對比模擬分析，其4種工況對應的分析結果如圖3所示。

由圖3可知，對比工況L1，在工況L5（無溫度載荷）情況時，整個管道的應力都有明顯的減??；當加載縱向或軸向地震偶然載荷后，整段天然氣管道的應力分布沒有明顯變化；而加載橫向地震偶然載荷后，巖鷹山側固定墩處（節點320）、跨越段起點管夾處（節點340）、跨越段終點管夾處（節點600）以及江頂寺側固定墩處（節點620）應力變化較大，且在節點620處的應力值達到517.52 MPa，達到許用應力值的93.92%。在無溫度載荷時，其原因與圖2類似。

圖2　L1～L4工況對應的應力分布圖

圖3　L5～L8工況對應的應力分布圖

從表2可知，L5工況加載了自重（W）和管輸壓力（P），L9工況是在L5工況上同時加載了橫向、縱向和軸向地震偶然載荷。通過對比模擬分析，其兩種工況對應的分析結果如圖4所示。

圖4　L5與L9工況對應的應力分布圖

由圖4可知，對比工況L5（無溫度載荷），L9（無溫度載荷）在同時加載橫向、縱向以及軸向偶然地震載荷后，巖鷹山側固定墩處（節點320）、跨越段起點管夾處（節點340）、跨越段終點管夾處（節點600）以及江頂寺側固定墩處（節點620）應力變化較大，且在節點620處的應力值為517.76 MPa，達到許用應力的93.97%，與只加載地震橫向載荷時的應力分析結果差異較小。

綜上所述，通過對中緬輸氣管道瀾滄江段在地震作用下不同載荷時的應力分析，可知無論有無溫度載荷時，在加載縱向或軸向地震載荷后，整段天然氣管道的應力分布沒有明顯變化；而在加載橫向地震載荷后，巖鷹山側管道出土點（節點320）、跨越段起點管夾處（節點340）、跨越段終點管夾處（節點600）以及江頂寺側管道出土點（節點620）應力變化較大，且都在節點620處達到整段管道應力的最大值且接近管道的許用應力值，說明橫向地震載荷對管道的應力影響最大。

4　結束語

在地震工況下，以應力分析軟件CAESAR II作為模擬手段，以ASCE 7-10規范作為地震載荷計算依據，采取不同載荷組合的形式對中緬管道瀾滄江段輸氣管道進行應力分析，通過應力分析結果可以清晰定位管道集中應力的分布位置，即跨越段起終點以及兩側管道出土點；得出橫向地震載荷對管道的應力影響最大的結論；江頂寺側固定墩處應力值最大，達到許用應力的93.97%，管道所受應力處于許用應力的范圍內，均滿足國內管道設計規范要求；但是校核應力若采用管材許用應力的90%計算，則超出了規范要求，存在運營安全風險。

參考文獻

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（編輯：蔣龍）

作者簡介：賀三（1975－），博士，副教授，從事油氣集輸、流動保障技術相關研究與教學工作。E-mail:hesan@126.com。

doi：10.3969／j.issn.2095-1132.2016.01.015

文獻標識碼：B

文章編號：2095-1132（2016）01-0050-04