天然气管道沉管措施的分析与研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 3 年 8 月 第 3 5 卷 第 8 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 A u g ． 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 8 天然气 管道沉管措施 的分析与研究 杨鹏 中国石油天然气管 道工 程有限 公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 曲克诚 中国石油天然气管 道局国际 事业部， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 李程 中国石油天然气管 道局新闻中 心， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 [ 摘要]天然气管道 通常采用埋地方式敷设 。在某些 区域 ，管道埋地后 的覆 土层在流水冲刷 、风 沙侵蚀 等 自然 因素的影响下可能会 减薄。在这 种易发 生水土 流失 的地 区，为 了保 证管 道最小覆 土层 厚度 的要求 ， 就需要采取沉管措施 。以国内某 2条天然 气管道 的实际工程 问题 为例 ，分析 计算沉 管过 程 中管道 的应力 情况并按照规范进行校核 ，研 究天然气管道沉管措施的可行 性，为今后管道 的施工建设积累经验 。 [ 关键词]天然气管道 ；沉管；应力分析 ；管道建设 [ 中图分类号]T E 9 7 3 ． 9 2 [ 文献标志码]A [ 文章编 号] 1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 3 0 8 0 3 5 0 0 3 很多 天然气 管道建 设工 地位 于人烟 稀少 的 山区 、丘 陵 、荒 漠或 草 原 ，这些 地 区 自然 环境 比较 恶 劣 ， 容易 受到风 沙侵 蚀 、流 水 冲刷 等 自然环 境 的影 响 ，从 而造 成水 土流失 而影 响到管 道 的覆 土层 。覆土 层厚 度对 保证 天然气 管道 的安全 有着 重要作 用口 ] ，对于覆 土层厚 度减 小而 造成 的管道 埋深 不 足 问题 ，需要 采取 一系列 的措施 进行 治理 。沉 管作为 一种解 决管 道埋深 不足 问题 的方案 具有施 工方便 、投 资较低 等优 点，国内多条长输管道都曾经采用过，技术已经比较成熟 。具体做法为把冷弯弯管纳入沉管段内，在 弯管 段 内加 设支 墩和 吊点 ，将 其作 为一 个整体 进行 下沉 ，适用 于地 势开 阔 、平坦 的地 区 。 笔者 以 国内某条 天然气 管道 的实 际工程 问题 为例 ，分析计 算沉 管过程 中管 道的应 力情况 ，为今 后管 道 的施工 建设 积 累经 验 。 1 工程概况 国内某 2条天然 气管 线 简 称 “ A 线 ”和 “ B线 ” ，下 同 为并 行 敷设 ，在某 一地 区需 要 2次 穿越 某铁 路 简称 “ C铁 路” ，下 同 。穿越 C铁路 时 ，A、B管 道 位于 桥涵 过 水通道 内 ，C铁路 过水 桥 涵 高 2 m，受风 沙及 过水 通道清 淤疏 通临 时措施 的影 响 ，两侧 沙 体不 断 堆 积抬 高 ，铁 路 防风挡 墙 大 部分 已被 掩埋 。因为管 道埋深较 浅 ，受 冲刷导致 露管 的可 能性较 大 ，故 需对 管道覆 土层进 行处 理 。根据现 场 踏 勘情 况 ，该工 程 A线 和 B线沉 管的开 挖总 长度分 别为 5 1 5 m 和 4 3 0 m，管段所 处 区域 为湖 积 平原 ，地 势 开 阔 ，地 形略 有起伏 ，植 被覆盖 率 为 2 0 ～4 O ，开挖 段 内无 特殊 建 构 筑物 ，具 备 沉 管 的施 工 条 件 。需要 沉管 处 的管道埋 深见 表 1 。 表 1 沉 管处 A、B线管道埋深统计表 A线和 B线管道的运行 参数 为输送介质为天然气；管道外径 为 6 6 0 ram，壁厚 7 ． 1 t r i m；管材为 AP I 一 5 I X 6 o螺 旋缝埋 弧焊 钢管 ；最小 屈服 强度 为 4 1 5 MP a ；A、B线设 计压 力分 别为 6 ． 4 、6 ． 3 MP a ；安 装 、工作温度分别为 1 0 、2 0 C；A管线防腐为煤焦油瓷漆加强级防腐 ，B管线防腐为 3层 P E高温型加 [ 收稿日期]2 0 1 3 00 [ 作者简介]杨鹏 1 9 8 5一 ，男 ， 2 0 1 1年中国石油大学 北京毕业 ，硕 士，工程师 ，现主要从 事油气长输管道工程线路 专业设计工 作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 5卷第 8期 杨鹏 等 天然 气管道 沉管措施的分析与研究 3 5 1 强 级 防腐 。 2 现场情况分析 需 要沉 管处 理 的管 道共有 2处 第 1 处 C铁路 桥涵 里程 为 F 4 7 6 4 1 3 m，所对 应 的 A 线管 道里程 为 F 3 1 9 1 0 0 m，B线 管道里 程 为 F 3 1 8 8 0 0 m；第 2处 C铁 路 桥涵里 程 为 F 4 7 6 5 9 3 m，所对 应 的 A线 管 道 里程 为 F 3 1 8 9 5 0 m，B线 管 道里 程为 F 3 1 8 6 0 0 m。 根据现场踏勘情况并结合沉管段竣工图，按照文献 F 4 ]的规定 ，小型穿越 工程无冲刷或疏浚的水 域 ，应 埋在 水 床 底 面 以下 不 小 于 I m。考 虑 洪 水 期 间 对 过 水 通 道 的 冲 刷 ，确 定 A 线 最 大 沉 降 量 为 2 O 0 0 mm，B线最大沉降量为 2 5 0 0 mm。以 A线 为例 ，A线管道的具体坐标及沉管信息见表 2 。 表 2 A线管道沉管前后高程统计 3 软件模拟计算 根据现场提供 的沉管段坐标和沉管各点位移资料确定管道 的位移 ，采用 C a e s a r I I 软件建立三维受 力分析模型 ，进行有限元分析计算 。有限元计算的结果按照文献 [ 2 ]设计规范进行校核。 3 ． I A线 A线给定 的坐标信息 ，建立 的三维模 型可以模 拟该沉管工况 下管道 的力 学反应。模 拟 中，考 虑该 沉管 段完 全开 挖 ，没 有 土 荷 载 约 束 ，只 有 管 段 下 沉 变形产生的应力 ，真实下沉量 由现场实测数据得到， 在此 基础 上 进 行 模 拟 ，使 用 实 测 下 沉 量 作 为模 拟 管 道 的下 沉 间 隙 ，考 虑 温 差 、 内 压 的 影 响 ，在 管 道 自 身重 力 的作用 下 ，得 到管道 下 沉变形 如 图 1 所 示 。 沉管段里程 坐标／ m {； 雩8 磊；； 曼曼莹三萎莹曼曼毫萎嚣暑餐毫嚣 - ．O ． - 沉降后管道 沉降前管道 图 I A线管道下沉变形图 经过 对 比可 知 ，该 模 拟 下 沉 变 形 量 与 实 际 下 沉 量一致，即软件模拟的管道在 自身重力的作用下 ，可以达到实际测量的沉降位置。在该工况下 ，使用文 献 [ 2 ]作为评判标准 ，在管段变形较大处 ，会出现应力集 中而达到较大应力值。对于该段管道，在如 图 1 所 示 的下 沉拐 点处 达到 应力 最大 值 ，同时 ，在 沉 管下 部转 弯处应 力也 较 大 。 经过模拟计算 ，得到该沉管段各点的受力分析结果 ，根据文献 [ 2 ]标准的要求 ，对于非完全约束 管道 ，需 要校 核 持 续 应 力 和 膨 胀 应 力 值 ，上 图 所 示 应 力 最 大 点 的 持 续 应 力 为 2 4 4 MP a ；膨 胀 应 力 为 0 ． 1 6 6 MP a ，均小于许用应力 3 1 0 MP a ，持续应力为主要应力 ，其详细结果见表 3 。整段管道应力值集中 分布在 1 5 0 ～2 0 0 MP a之间，符合文献 [ 2 ]标准要求 。 0 啪 ㈣ 姗 咖 ． 1 l 2 暑 Ⅲ ／ 删进器 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 油气 管道工程 2 0 1 3 年 8 月 表 3 A线持续应力最大点受力情 况 3 ． 2 B线 根据 B线 管 道 测得 的 坐标 和 下 沉 量 ，使 用 相 同 的建模思路 ，建立三维模型，管道信息与 A线相 同， 只有 运行压 力 不 同 。在 此 基 础 上 进行 管 道 模 拟 ，得 到管道下沉变形如图 2所示 。 氰 经过对 比可 知 ，对 于 B线 管 道 ，该 模 拟 下 沉 变 形量与实际下沉量也一致 ，使用文献E 2 - 1标准作为 评 判标准 ，在 图 2所 示 的 下 沉 拐 点处 达 到应 力 最 大 ⋯ 值 ；同时 ，在 沉管下 部转 弯处应 力也 较大 。 经过模拟计算，得到该沉管段各 点的受力 分析 结果 ，根据文献 E 2 ]标准的要求 ，对于非完全约束 沉管段里程坐标／ m 宝曼曼兰 曼篓嵩基 嚣是萤甬量量蓑 ＼ 一沉 降 后 管 道／ 一沉 降 前 管 道 1 ＼ 厂 ⋯⋯⋯⋯⋯． 图 2 B线管道下沉变形图 管道 ，需要校核持续应力和膨胀 应力值 ，图 2所 示应力最 大点 的持续 应力 为 2 6 7 MP a ，膨胀应力 为 0 ． 0 6 7 MP a ，均小于许用应力 3 1 0 MP a ，持续应力为主要应力，详细结果见表 4 。整段管道应力值集 中分 布在 1 5 0 2 0 0 MP a之间，符合文献 E 2 3标准要求。 表 4 B线持续应力最大点受力情 况 4 结论 1 天然气 管道在 易发 生流 水冲刷 、风沙 侵蚀 等水 土 流失 的地 区 ，经常 会 发生 由于管 道覆 土 层 厚度 减小而造成管道埋深不足的问题 。为了保证管道最小覆土层厚度的要求，在地势开阔平坦的地区，可以 采用 沉管 方式 进行维 护修理 。 2 在采取沉管措施之前，应详细了解管道运行参数 、管道位置坐标 、埋深和土质情况等 ，根据上 述信息进行应力分析和计算，为沉管措施提供可靠的理论支持。 3 根据 应力分 析计 算 的结 果 ，制定合 理 的沉管方 案和施 工要 求 。 4 在地 下水 位较深 而不 至于对 管道产 生浮 力 的情况 下 ，可 以依 靠 管道 自身重 力进 行 沉 管作 业 ，不 必 施加 压重袋 等其 他外部 措施 。 5 在沉管过程 中，应注意使管道均匀沉降 ，避免 由于沉降不均匀而造成管道应力集中。 6 建立 的模 型合理 ，计算 分析 的结果 与实 际相 符 。分 析结 果显 示 ，文 中情况 下 ，天 然气 管道 采 取 沉管的措施可以在管道应力满足规范要求的前提下达到满足最小埋深要求的 目的。 [ 参考文献] [ 1 ]GB 5 0 2 5 1 --2 0 0 3 ，输气管道工程设计规范 E s ]． E 2 ]AS ME B 3 1 ． 8 2 o 1 0 ．Ga s t r a n s mi s s i o n a n d d i s t r i b u t i o n p i p i n g s y s t e ms E S ] E 3 ]帅建 ．管线力学 E M]．北京 科学出版社 ，2 0 0 1 ． [ 4 ]GB 5 0 4 2 3 --2 0 0 7 ，油气输送管道穿越工程设计规范 E s ]． [ 5 ]A P I ～ 5 1 2 0 0 7 ，管线钢管规范 E s ]． [ 编辑] 宋换新 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m