長輸管道跨越工程復雜工況下數值模擬

都成軍

(國家管網集團華北天然氣管道有限公司，天津 300450)

0 引言

長輸油氣管道在敷設施工過程中會遇到河流、公路以及鐵路等障礙物，當其跨越距離短且不能采用定向鉆等穿越方式時，工程上采用圓弧拱形跨越方式，跨越形式簡單且能夠有效利用管道自身強度。但由于受地形地貌等影響，很難對拱形跨越管道進行有效安全檢查，從而存在安全隱患。因此，研究拱形跨越管道的強度和穩定性，找出拱跨危險區，對管道的安全運行具有重要意義。

學者對拱形跨越管道的結構設計和安全評估進行了研究。在一定溫度范圍內，屠洪權等[1]提出了大口徑大跨度拱形管道的相對最佳矢跨比值。許紅勝等[2]給出了拱形管道各主要設計參數對其強度和穩定性影響的變化趨勢圖，有助于優化設計。于洋等[3]采用ANSYS軟件重點分析溫度變化對拱形管道跨越結構應力、變形和穩定性的影響?？紤]存在內壓、溫度、風載荷及自重時的非平面彈性大變形問題，張慧敏等[4]通過打靶法求出圓弧拱跨越管道力學特性的非平面邊值問題的數值解?；跊Q定管道跨度的強度條件和剛度條件計算公式，鄭彥淵[5]簡要分析了3種增大管道跨度的方法(加大管徑和壁厚，增強加強板，采用拱形管)。此外，拱形跨越在實際工程中的應用也得到了廣泛的研究[6-8]。

本文以拱形跨越管道為研究對象，采用ABAQUS軟件建立腐蝕、凹陷以及極限3種工況下拱形跨越管道有限元模型，基于數值模擬結果表明不同工況下拱跨管道最大Mises應力和變形的產生位置，有效判斷其強度和穩定性是否滿足要求。

1 拱跨管道有限元模型

拱形跨越管道通常將等截面無縫管道做成圓弧形拱，同時將兩端放于受推力的基座或支架上，致使管道結構自身承載。本文采用ABAQUS軟件建立考慮凹陷和腐蝕缺陷的拱形跨越管道有限元模型(圖1)，該模型主要包括：拱形管道模型、管道局部凹陷模型以及腐蝕模型，進行數值模擬時考慮管道運行內壓、管道自重、溫度荷載、風荷載以及地震荷載等影響，不考慮初始應力等影響。

圖1 拱形跨越管道ABAQUS有限元模型

1.1 拱形管道模型

長輸油氣管道一般采用鋼管進行長距離油氣輸送。在建模過程中，考慮腐蝕缺陷的存在，采用八節點線性減縮積分三維應力單元對管道進行模擬，便于構建管道局部腐蝕模型，進而開展拱形跨越管道腐蝕缺陷分析。假設管道內壓作用在管道內沒有壓力損失，同時忽略管道熱損失。

1.2 管道局部凹陷模型

基于三維掃描儀獲取管道凹陷信息，采用逆向工程技術擬合完整管道外表面模型，建立完整凹陷管段，進而導入ABAQUS有限元軟件進行數值模擬。為了保障凹陷管道與無缺陷管段分析模型的連續性，可在兩者間建立綁定約束；也可在三維軟件進行幾何操作或有限元分析軟件中進行網格操作，建立連續網格模型。圖2和圖3分別為三維掃描儀獲取的凹陷圖形和基于逆向擬合技術得到的管道表面凹陷模型。

圖2 管道凹陷三維掃描曲面

圖3 逆向擬合凹陷模型

1.3 模型施加荷載

針對拱形跨越管道模型，其荷載主要包括：永久載荷，包括管道自重及輸送介質重量；可變載荷，包括風荷載以及溫度載荷；內部介質壓力，包括正常使用壓力和試驗壓力；偶然載荷，即地震載荷。

1.4 模型邊界條件

由于圓拱形跨越管道在基座處埋地，但周圍土地與埋地段管道之間發生相互摩擦和擠壓，對圓拱拱腳約束并非完全固定，因此約束拱腳3個方向上的位移以及軸向轉動。

2 拱跨管道失效標準

2.1 強度校核

拱形跨越管道強度σ按式(1)進行校核：

σ≤Fσs

(1)

式中:σs為管道材料屈服強度；F為強度設計系數，根據GB/T 50459—2017《油氣輸送管道跨越工程設計標準》查表得到。

2.2 變形校核

GB 50017—2017《鋼結構設計標準》規定，樓蓋主梁變形允許值為跨度的1/400。同時，06S506-2《自承式圓弧形架空鋼管(國家建筑標準設計圖集)》規定：管道出拱平面水平位移允許值不能超過跨長的1/250。

3 算例分析

3.1 模型參數

基于拱形跨越管道工況進行案例分析，圓拱跨度為80 m，矢跨比為1/4，矢高為20 m，管道公稱直徑為800 mm，管壁厚度為16 mm，設計壓力為6 MPa，根據GB/T 50459—2017規定試驗壓力為設計壓力的1.5倍，即試驗壓力為9 MPa，管內運輸介質為水。管材采用X65鋼，屈服應力為450 MPa，外徑508 mm，壁厚11.9 mm，彈性模量206 GPa，密度7 850 kg/m3,泊松比0.3，熱膨脹系數0.000 012。溫度荷載為±30 ℃，風荷載為0.4 kN/m2，地震荷載為0.4g。

3.2 結果分析

3.2.1 腐蝕工況

腐蝕缺陷將不同程度地影響管道的性能和正常運行，運用ABAQUS軟件開展腐蝕管道的數值模擬，有助于直觀反映腐蝕對管道性能的影響。該模型將腐蝕形狀簡化為長方體結構，選取腐蝕尺寸為250 mm×150 mm×1 mm，腐蝕位置位于圓拱拱頂，如圖4所示。

(a)渲染模型

圖5和圖6分別為腐蝕工況下拱形跨越管道整體應力云圖和拱腳局部應力云圖。從圖5中可以看出，拱形跨域管道最大Mises應力為218.9 MPa，出現在拱腳處，小于許用應力[σ]=0.55×450=247.5 MPa，滿足結構強度要求；拱頂腐蝕區域出現應力集中現象(圖7)，腐蝕區最大Mises應力為149.8 MPa，遠大于拱頂其他區域應力。當管道腐蝕過于嚴重時，可能由于腐蝕導致最大Mises應力出現在該區域。如圖8和圖9所示，腐蝕工況下拱形跨越管道最大平面內豎向位移和最大平面外水平位移都發生在跨中位置，分別為0.054 7 m和0.127 5 m。根據《鋼結構設計標準》和06S506-2《自承式圓弧形架空鋼管》規定，最大平面內豎向位移0.054 7 m小于許用撓度L/400=0.2 m，且最大平面外水平位移0.127 5 m小于許用值L/250=0.32 m，都滿足變形穩定性要求。

圖5 腐蝕工況下拱跨管道應力云圖

圖6 腐蝕工況下拱跨管道拱腳應力云圖

圖7 腐蝕點局部放大圖

圖8 腐蝕工況下拱跨管道豎向位移

圖9 腐蝕工況下拱跨管道平面外水平位移

3.2.2 凹陷工況

凹陷可能引起管道局部應力集中，進而導致其承載能力下降，同時也為管道正常運行帶來安全隱患。以某管線凹陷掃描數據建立凹陷拱形跨越管道有限元模型，選取拱頂為凹陷區域，研究凹陷對拱形跨越管道性能的影響。圖10和圖11分別為凹陷工況下拱形跨越管道整體應力云圖和凹陷局部應力云圖。從圖10中可以看出，拱形跨域管道最大Mises應力為490.6 MPa，出現在拱頂凹陷區，大于屈服應力(450 MPa)，可見該區域管道已發生塑性變形；拱頂凹陷邊緣區域出現應力集中現象(圖11)，遠大于凹陷其他區域應力。由此可見，凹陷對管道應力和強度具有顯著影響。如圖12和圖13所示，凹陷工況下拱形跨越管道最大平面內豎向位移和最大平面外水平位移都發生在跨中位置，分別為0.057 2 m和0.227 7 m。根據《鋼結構設計標準》和06S506-2《自承式圓弧形架空鋼管》規定，最大平面內豎向位移0.057 2 m小于許用撓度L/400=0.2 m，且最大平面外水平位移0.227 7 m小于許用值L/250=0.32 m，都滿足變形穩定性要求。

圖10 凹陷工況下拱跨管道應力云圖

圖11 凹陷工況下拱跨管道拱腳應力云圖

圖12 凹陷工況下拱跨管道豎向位移

圖13 凹陷工況下拱跨管道平面外水平位移

3.2.3 極限工況

地震不僅直接破壞輸氣管道的正常使用功能，而且還可能產生嚴重的次生災害。模型以地震荷載代替結構在地震強迫振動下的激勵外因，采用靜力理論對地震載荷進行模擬分析，不考慮建筑物的動力特性。圖14和圖15分別為極限工況下拱形跨越管道整體應力云圖和拱腳局部應力云圖。從圖14中可以看出，拱形跨域管道最大Mises應力為219.0 MPa，出現在拱腳處，小于許用應力[σ]=0.55×450=247.5 MPa，滿足結構強度要求。如圖16和圖17所示，極限工況下拱形跨越管道最大平面內豎向位移和最大平面外水平位移分別位于跨中位置與拱腳位置，分別為0.054 3 m和0.150 8 m。根據《鋼結構設計標準》和06S506-2《自承式圓弧形架空鋼管》規定，最大平面內豎向位移0.054 3 m小于許用撓度L/400=0.2 m，且最大平面外水平位移0.150 8 m小于許用值L/250=0.32 m，都滿足變形穩定性要求。

圖14 極限工況下拱跨管道應力云圖

圖15 極限工況下拱跨管道拱腳應力云圖

圖16 極限工況下拱跨管道豎向位移

圖17 極限工況下拱跨管道平面外水平位移

4 結論

本文通過ABAQUS軟件建立考慮管道運行內壓、管道自重、溫度荷載以及風荷載的拱形跨越管道有限元模型，分析了腐蝕、凹陷以及極限3種工況下拱跨管道力學性能和變形特征?；跀抵的M結果，發現腐蝕工況或極限工況下，拱跨管道最大Mises應力均發生在拱腳處；凹陷工況下，拱跨管道最大Mises應力發生在凹陷區域。此外，拱形跨越管道的最大平面內豎向位移和最大平面外水平位移分別位于跨中位置與拱腳位置。