水流作用下悬空穿越河流输油管道的动力分析.pdf-资料库

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 水流作用下悬空穿越河流输油管道的动力分析任志平 1，2，刘昌华 3 1 大庆石油学院学报编辑部，黑龙江大庆（163318） 2 西南石油大学机械工程学院，成都（610500） 3 中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东青岛（266071） E-mail:rzp1972@126.com 摘要：当长距离输油管道穿越河流段（简称穿越管道）受到第三方破坏时，易发生裸露或悬空，管道受到水流冲击等外载荷作用，将引起管道失效；当悬空穿越管道超过允许管跨长度时，将引起管道共振.为避免穿越管道发生疲劳破坏或断裂，将穿越管道悬空部分视为圆弧形状，非悬空部分视为与两端固定墩同步沉降的直线形状的力学模型，考虑水流冲击力、浮力、管道及其附件重力、弯曲变形及弯矩的影响，对受外载荷作用的悬空管道进行强度计算，对不同水流速度作用下的悬空管道进行振动分析.结果表明：在对穿越管道进行强度设计时，需要考虑水流冲击力、浮力、管道及其附件重力、弯曲变形及弯矩的影响，还要考虑悬空管道的涡激振动问题，这应该引起管道设计、施工和维护者的注意. 关键词：穿越河流输油管道；动力分析；水流冲击；力学模型当长距离输油管道穿越河流段（简称穿越管道）受到洪水冲涮、船锚拖曳、水及土壤冻胀作用、人类打孔盗油、炸鱼、挖沙、清淤及自然灾难等第三方破坏时，可能导致敷设于河床之下的穿越管道裸露于河床上，继而管道下面河床被水流不断冲刷至悬空而形成管跨，造成管道的移位、上浮，受到水流冲击、轴向力等外载荷作用.当悬空管道超过允许的悬空管道长度时，管跨段将产生涡激振动，如果涡流频率接近管道的固有频率时，还会发生共振现象[1]，乃至引起疲劳破坏，从而给长输管道的安全运行带来严重隐患[2-4]. 我国大庆油田、辽河油田、胜利油田等数千公里管道多在 20 世纪 60 年代末建成，管道多数已进入或接近老龄范围，且其中大部分穿越管道建设时期的埋深就不够，运行多年导致有些管道穿越段已经裸露于河床之上，甚至悬空于水流之中，确保这些老龄管道的安全、可靠运行至关重要[5].目前在对油气长输管道的完整性评价[6-8]中，都是将穿越管道作为长输管道的一部分进行，而忽略穿越管道在施工、设计、运营和维护方面的特殊性[2-4]，因此对穿越管道与非穿越管道有必要区别对待，需要单独建立穿越管道的力学模型，以对其进行动力分析. 1 力学模型穿越管道与非穿越管道承受的载荷不同，因此其受力模型也不同.在穿越段，管道受到管道自身重力、输送介质重力及附件引起的重力作用将加剧管道的屈曲变形. 在穿越段，管道发生裸露或悬空时，将失去土壤的支撑和覆盖作用，在水流冲击等外载荷作用下将发生弯曲变形，并逐渐形成弧线形状，在非悬空段管道受到土壤的支撑和覆盖作用，与两端的固定端同步沉降，依然保持呈直线形状，由此建立发生悬空的穿越管道的力学模型. 图 1 穿越管道力学模型假设：穿越管道周围土壤具有足够的支撑力，在管道长度方向上均布；管道悬空部分变形近似为圆弧形状；非悬空部分变形与两端固定墩同步沉降，呈直线形状；固定端只有微小滑动支撑，可以忽略不计. -1-

中国科技论文在线 2 动力学分析 http://www.paper.edu.cn 裸露或悬空管道承受的外载荷包括水流冲击力、水流浮力、重力、输送原油内压引起的环向应力和轴向应力. 2.1 重力 = 计算单位长度管道重力： gmgmgmgmG + 式中： dm 为单位长度管道自身、原油及附件质量； lm 为单位长管道原油质量； gm 为（1） + = g d l f 单位长度管道自身质量； fm 为管道附件质量； g 为重力加速度. 2.2 水流冲击力按照 Morison 方程，水平冲击力看成是拖曳力和惯性力的叠加，即 hf 可表示为 f h = C 5.0 D Du ρ + 2 duDC π dt 4 ρ M 2 （2）式中： DC 为拖曳力系数；ρ为河水及夹杂物密度；D 为管道直径；u 为水流速度； MC 为惯性力系数. 2.3 水流浮力水流浮力 bf 一般按照拖曳力的表达式计算： f b 式中： bC 为水流升力系数. C 5.0 Du ρ = b 2 （3） 2.4 环向应力径向应力、环向应力和轴向应力是由管道输送介质引起的，由于径向应力较小，一般可不考虑.油气管道多属于薄壁管道，应按薄壁管道计算应力，则环向应力 hσ 为 σ h = pD 2 δ （4）式中： p 为管道内压力； D 为管道外径；δ为管道厚度. 2.5 轴向应力（1）考虑悬空管道发生泊松效应、温度效应和内压引起的轴向应力.轴向应力 aσ 为 aσ ＝ ν pD 2 δ ( ) 21 νβ − + 2 pd ν D 2 δδ − 2 ( 1 −− ) αβ htE , ∆ L ≤ 0.04 （5）式中：d 为管道内径；α为管道材料的线膨胀系数；E 为管道性模量； t∆ 为管道工作温度与施工温度差；ν为泊松系数；β为系数.式中第一项为环向应力引起的考虑泊松效应的轴向应力；第二项为内压引起的轴向应力；第三项为管道热应力，它是由管道工作温度高于或低于施工温度引起的. 其中悬空管道管跨长度 L 与系数β的关系为 -2-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn DL = 5 15 (4 β +− )1 ( β （6） D h 2) （2）穿越管道一旦悬空时，原有的平衡状态被破坏，在允许的最小管道弯曲曲率内，管道将产生一定的弯曲变形.由弯矩引起的管道轴向弯曲应力 cσ 为 =σ c DgLm 2 g 2 nI + ED R 2 + DLf 2 h nI 2 （7）式中： gm 为管道单位长度质量；n 为管道两端固定方式的系数，两端固定时取 12，一端固定一端铰支或两端铰支时取 8；I 为管道截面的惯性矩.等号右边第一项为管道自身重力及弯曲应力；第二项为管道曲率引起的弯曲应力；第三项为水流冲击力引起的弯曲应力，这是陆上长输管道穿越河流段所特有的，压应力时取负值，拉应力时取正值. （3）由于管道振动引起的轴向动应力 dσ 为 d =σ KEDA 2L （8）式中：K 为系数，两端固定时取 16，一端固定一端铰支时取 11.56，两端铰支时取 4.8； A 为振幅[9]. 轴向弯曲应力可为正或负，轴向正应力为正，故轴向的合成应力σ为 σσσσ d （9） + ± = a c 2.6 强度校核按照 Tresca 和 Mises 屈服条件考虑管道塑性流动的强度，计算悬空穿越管道的实际应力状态.采用第四强度理论，综合 Mises 屈服条件[9,10]： 2 1 ≤ = eq = − 1 − 1 2 ) + ≤ σ s σ s 2 ]) [(5.0 (2) + ( σσ 3 − 9.0 σσ 3 − σσ 2 (10a) （10b） σ eq 由于穿越管道受到两端固定墩的约束，当存在轴向压应力时，应满足： σσσ 2 式中： eqσ 为当量应力； 1σ ， 2σ ， 3σ 分别为环向、轴向和径向应力，作用到管壁上的径向应力较小，一般情况可以忽略； sσ 为管道屈服强度.利用式（10）可以对悬空穿越管道进行强度校核，以避免失效. 3 振动分析水流流经悬空管道时，引起边界层剥离，造成尾流涡旋分离，并以一定频率释放涡旋. 如果发生共振，顺流方向的振动要比横流方向的振动小得多，一般不会引起穿越管道的严重振动. 3.1 管道固有频率由结构力学可得穿越管道固有频率 gf 为 f g = 49.2 L 2 EI M g （11） -3-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 式中： gM 为管道质量，包括管道自身、输送介质、保温层、稳管措施等质量；I 为管道截面惯性矩. 3.2 涡激发放频率管道涡激发放频率 wf 为 uSr D （12） f w = 式中：u 为水流速度； Sr 为斯特罗哈参数； D 为管道直径. 3.3 共振条件管道与水流接触时的雷诺数 Re 为 Re = Du υ （13）式中：υ为水的运动粘滞系数. 当 Re 小于 40 时，属于低雷诺数层流区域，涡漩发放对管道的影响很小，在工程上可以不予考虑；当 Re 大于 40 且小于 3×105 时，属于涡漩发放区，对管道的影响需要考虑. 如果管道固有频率 gf 在（0.7～1.3） wf 时，裸露或悬空穿越管道将发生共振，引起管道的扰动和破坏；当 gf ≥ 10 wf 时，则可以避免发生共振.由此，对于两端固定的穿越管道，避免管道共振的允许管跨长度 crL 为 L cr ≤ 73.4 5.0 D 7.0 uSr 20 π ⎛ ⎜ ⎜ ⎝ EI M g ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ （14）利用式（13）和（14）可以进行振动分析，以避免发生共振. 因此，只要检测到一定悬空管道长度 L 和水流速度u ，就可以进行强度校核和共振分析，避免发生失效和疲劳破坏.对于发生悬空的管道，需要对其采取稳管等措施，同时加强巡管检测和重点监测. 穿越河流输油管道动力分析流程见图 2. 4 结论测量u ， L 计算G 、 hf 、 bf 、 hσ 、 aσ 、 cσ 、 dσ ] [σσ< Y N 安全不安全图 2 穿越管道动力分析流程 Y Y 40

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 行分析，将失去土壤支撑的悬空管道视为圆弧形状，非悬空部分视为与两端固定墩同步沉降的直线力学模型. （2）在对穿越管道进行强度设计时，需要考虑水流冲击力、浮力、管道及其附件重力、弯曲变形及弯矩的影响，以避免失效；此外，还要考虑悬空管道的涡激振动问题，这应该引起管道设计、施工和维护者的注意. （3）水流速度越大，发生共振时的管跨长度就越小，涡激发放频率越大；管径越大, 发生共振时的管跨长度越大，涡激发放频率越小. 参考文献 on Reliability, Maintainability [1]任志平.大中型穿越河流输油管道的风险评估[D].大庆，大庆石油学院，2004. [2]苗文成.埕岛海域海底管道隐患分析及治理[J].石油工程建设，2004，30（3）：48-50. [3]任志平，刘青，魏立新，等.穿越输油管道腐蚀因素的模糊评判[J].大庆石油学院学报，2004（1）： 16. [4]ZhipingREN,PengZHANG,XiaHAN.FTA Analysis for River-traversingOil Pipeline[A].Rui KANG,Hongzhong HUANG,Ming J. Zuo,et al.The Proceedings of 2009 8th International Conference Catalog Number:CFP0962H-PRT ,2009. [5]潘家华.关于老龄管道的安全运行[J].油气储运，2008，27（5）：1-3. [6]易云兵，姚安林，姚林，等.油气管道风险评价技术概述[J].天然气与石油，2005，23（3）：16-19. [7]郑贤斌，陈国明.基于 FTA 油气长输管道失效的模糊综合评价方法研究[J].系统工程理论与实践，2005（2）： 143. [8]阎玉霞，董玉华，高惠临.故障树分析方法在油气管线方面的应用[J].西安石油学院学报：自然科学版， 2003，18（1）：47-50. [9]方华灿.油气长输管线的安全可靠性分析[M].北京：石油工业出版社，2002. [10]帅键，于桂杰.管道及储罐强度设计[M].北京：石油工业出版社，2006. [11]祖楠,黄维平.考虑流固耦合时的海底管道悬跨段非线性动力分析[J].中国海洋大学学报，2006，36（1）： 168－172. Safety[C].IEEE and Dynamic Analysis of Suspended River Crossing Pipeline 1Newsroom of Journal of Daqing Petroleum Institute, Daqing Petroleum Institute, Heilongjiang RenZhiping 1, 2, Liu Changhua 3 Daqing (163318) (610500) 2College of Mechanical & Electronic Engineering, Southwest Petroleum Institute, Chengdu 3Safety Engineering Institute, SINOPEC, Shandong Qingdao (266071) Abstract When the long-distance oil pipeline under rivers (referred to as river-crossing pipelines) are damaged by the third-party, they are prone to nudity or left vacant, and the oil pipelines under the action of water flow will cause pipeline failure; and the distance of suspended pipeline is longer than the allowed length will cause the pipeline resonance. In order to avoid pipelines fatigue or broken, suspended pipelines are considered as part of the arc shape, and non- suspended pipelines are considered as the linear shape of the mechanical model with the two ends of the fixed pier synchronous. The study will consider the impact of water flow, buoyancy, the gravity of pipelines and its annexes, bending deformation and bending moment, do the tense calculation for suspended pipelines with external load and the vibration analysis for suspended pipelines under different water flow speeds. The results showed that: the design of river-crossing suspended pipelines not only needs to consider the impact of water flow, buoyancy, the gravity of pipelines and its annexes, -5-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn bending deformation and bending moment, but also to consider the floating vortex-induced vibration of the suspended pipeline, which should cause pipeline designers, constructors and maintainers’ attention. Key words: river-crossing pipeline; dynamic analysis; flow impact; mechanical model -6-

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