武 旭，帥 健

中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249

成品油管道局部屈曲案例分析

武 旭，帥 健*

中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249

管道屈曲是油氣管道的多種失效方式之一，包括管道的局部屈曲和整體屈曲。埋地管道屈曲變形較為復(fù)雜，主要影響因素包括內(nèi)外壓力、彎矩、管道的軸端力等。管道受其結(jié)構(gòu)特性影響，在受力和變形條件稍有惡化時(shí)就容易發(fā)生屈曲破壞。本文針對某局部屈曲破壞成品油管道進(jìn)行全面的分析和研究。通過開展管材的拉伸、夏比沖擊、斷裂力學(xué)試驗(yàn)，得到管材的常規(guī)力學(xué)性能參數(shù)。利用有限元模擬的方法，建立屈曲管道模型，分析不同載荷下管道受力變形特點(diǎn)及影響因素，研究造成管道屈曲變形的主要原因。結(jié)果表明：在一定條件下，材料的沖擊功隨試驗(yàn)溫度增加而增大；管道局部屈曲失穩(wěn)是受軸向壓力、彎矩和內(nèi)壓的聯(lián)合作用所致，其中軸向載荷過大是造成管道屈曲失穩(wěn)的主要原因；減少內(nèi)壓和增加壁厚可以增強(qiáng)管道抵抗變形的能力。

成品油管道；屈曲變形；軸向載荷；有限元分析；材料試驗(yàn)；滑坡

0 引言

油氣管道有多種失效方式，主要包括屈服強(qiáng)度失效、穩(wěn)定性失效、疲勞失效以及斷裂失效。其中穩(wěn)定性失效即為管道屈曲，包括管道的局部屈曲和整體屈曲[1]。能夠?qū)е鹿艿狼闹饕d荷有內(nèi)外壓力、彎矩、管道的軸端力等。管道由于其壁薄而細(xì)長的結(jié)構(gòu)特性決定了其在受力和變形條件稍有惡化時(shí)就容易產(chǎn)生屈曲破壞[2]，由此造成的各方面損失巨大且難以修復(fù)。屈曲是結(jié)構(gòu)喪失承載能力的一種形式，也就是結(jié)構(gòu)喪失了保證其原有平衡狀態(tài)的一種能力。管道的屈曲破壞可能發(fā)生在管道的安裝期間，也可能發(fā)生在運(yùn)行運(yùn)行期間。各種工作環(huán)境下的管道都比較容易發(fā)生屈曲破壞，特別是在施工安裝期間以及敷設(shè)期間[3-5]。

軸向力引發(fā)的屈曲響應(yīng)實(shí)際上是管道離開初始位置，發(fā)生了大撓度的幾何變形，整個(gè)過程類似于梁在軸向荷載達(dá)到臨界值時(shí)發(fā)生的歐拉屈曲。另外據(jù)其發(fā)生的方向不同管道屈曲又被分為側(cè)向屈曲和垂向屈曲。管道容易在局部出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，這種情況下的屈曲叫做殼屈曲[6-7]。

滑坡是威脅我國油氣長輸管道安全的主要地質(zhì)災(zāi)害類型之一[8-10]，可能導(dǎo)致管道局部屈曲破壞[11]，造成嚴(yán)重的社會影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[12]。本文針對某縱向滑坡導(dǎo)致局部屈曲的管道，進(jìn)行管材性能測試，用有限元模擬的方法，對管道受力、影響因素及屈曲原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的措施與建議，為防止管道屈曲失穩(wěn)的再次發(fā)生，降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)提供一定的參考。

1 管道宏觀檢測

2015年，某管道由于山體滑坡導(dǎo)致管道發(fā)生局部屈曲故障，發(fā)生故障的管道直徑475 mm，壁厚7.1 mm，鋼管為X60螺旋焊管，采用3層PE外防腐，設(shè)計(jì)壓力10 MPa。管道泄漏的原因?yàn)楣鼙诎欛?，由于皺褶處?yán)重塑性變形，導(dǎo)致管壁出現(xiàn)裂紋而泄漏。發(fā)生泄漏的管道敷設(shè)在一條山坡上，泄漏點(diǎn)到山頂?shù)木嚯x長約80 m，斜坡角度約30°～45°。山坡一側(cè)臨近公路隧道，泄漏點(diǎn)上方設(shè)置有多道擋土墻。地表無明顯滑坡跡象，但由于沿山坡敷設(shè)，加之建管和公路隧道施工擾動(dòng)等原因，存在管溝土層蠕動(dòng)下滑的可能。

如圖1所示，皺褶發(fā)生在管道環(huán)焊縫附近，近環(huán)焊縫處形成一環(huán)向“擠壓型”帶狀鼓起。皺褶處的上部2點(diǎn)鐘順時(shí)針至6點(diǎn)鐘位置扁平，下部6點(diǎn)鐘順時(shí)針至2點(diǎn)鐘位置帶鼓起，鼓起基本上是沿著管道的圓周方向，皺褶高約7 cm，寬約20 cm。由于皺褶不是沿環(huán)向均勻變形，管道在此處發(fā)生了彎曲，測得外弧彎曲角約10°，內(nèi)弧彎曲角約16°，屈曲部位內(nèi)外弧彎曲角如圖2所示。

圖1 管道皺褶形貌Fig. 1 Corrugation of the pipeline

圖2 管道的彎曲角度Fig. 2 Bending angle of the pipeline

2 材料試驗(yàn)

參考GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》、GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T 21143-2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行管材的拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)和斷裂力學(xué)試驗(yàn)，得到管材的常規(guī)力學(xué)性能、夏比沖擊功和斷裂韌性，為后續(xù)的模擬計(jì)算提供較為真實(shí)的材料參數(shù)。結(jié)果表明管材的理化性能基本符合相關(guān)規(guī)定。

(1)拉伸試驗(yàn)

分別對管道軸向、環(huán)向共2組試件進(jìn)行了測試，所得管材力學(xué)性能參數(shù)見表1，相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3和圖4所示。

表1 試件基本力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Basic mechanical performance parameters of specimens

(2)夏比沖擊試驗(yàn)

沖擊試件取自發(fā)生屈曲管道管材，試驗(yàn)在室溫到-60 ℃之間進(jìn)行，測試計(jì)算得到平均沖擊功，結(jié)果見表2。沖擊試件的斷口如圖5所示。繪制沖擊功隨溫度變化曲線圖，見圖6，可知沖擊功與試驗(yàn)溫度成正比例關(guān)系，即沖擊功基本隨試驗(yàn)溫度的增加而增大。

圖3 軸向試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Stress-strain curves of axial specimens

圖4 環(huán)向試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 4 Stress-strain curves of circumferential specimens

圖5 試件斷口Fig. 5 The sectional view of specimen

圖6 試件沖擊功-溫度曲線Fig. 6 Impact energy-temperature curves of specimens

(3)斷裂試驗(yàn)

本次試驗(yàn)?zāi)覆妮S向取樣5個(gè)、環(huán)向取樣4個(gè)。試驗(yàn)過程中載荷裂紋嘴張開位移曲線如圖7和圖8所示，數(shù)據(jù)匯總見表3。

3 有限元模擬

3.1 管道模型建立

根據(jù)以上測試分析數(shù)據(jù)建立成品油管道有限元模型，對屈曲管段進(jìn)行模擬分析，通過幾何檢測和材料試驗(yàn)得到屈曲管段的幾何參數(shù)及材料參數(shù)見表4和表5。

使用有限元模擬軟件ANSYS，將屈曲管段分為3個(gè)部分，每部分長度為0.35 m，管段全長1.05 m。第一部分管壁厚度7.5 mm，第二和第三部分管壁厚度7.1 mm。鋼材性能參數(shù)：彈性模量200 GPa，泊松比0.3，屈服極限、強(qiáng)度極限及對應(yīng)的塑性應(yīng)變?nèi)∧覆臄?shù)據(jù)，屈服極限490 MPa，強(qiáng)度極限595 MPa，管道內(nèi)部壓力8 MPa。將鋼管一端固定(模擬鋼管在此處夯實(shí)牢固)，另一端加載。用48節(jié)點(diǎn)殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，管段第二、三部分加密，第一部分略微稀疏，總單元數(shù)量1 728，管道模型如圖9所示。

計(jì)算結(jié)果如圖10所示。可見，管體在受到沿管體軸向的位移載荷后發(fā)生屈曲變形，并且在進(jìn)入后屈曲變形階段，屈曲褶皺頂部的應(yīng)力便能達(dá)到材料的最大強(qiáng)度極限，因而此處成為管體破壞的薄弱環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)破裂。

圖11為有限元軟件模擬出的管體活動(dòng)端第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的載荷位移曲線圖。通過對管體移動(dòng)端部的受力—位移計(jì)算結(jié)果的分析，可以明顯看到，初始階段其端部沿軸向的載荷隨管段位移的增大快速上升，載荷強(qiáng)度達(dá)到頂點(diǎn)后，隨管端位移的增大，載荷位移曲線隨之下降。這是由于管體發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲，造成其軸向的承載能力下降所致，管體隨即進(jìn)入后屈曲變形。

表2 沖擊功測試結(jié)果Table 2 Test results of impactenergy

圖7 軸向試樣載荷裂紋嘴張開位移曲線Fig. 7 Load-CMOD curves of axial specimens

圖8 環(huán)向試樣載荷裂紋嘴位移曲線Fig. 8 Load-CMOD curves of circum ferentials pecimens

表3 裂紋尖端張開位移測試結(jié)果Table 3 Test results of CTOD

表4 實(shí)驗(yàn)管道幾何尺寸Table 4 Geometry of the experimental pipeline

表5 材料參數(shù)Table 5 Material parameters

圖9 管道單元?jiǎng)澐諪ig. 9 Element division of the pipeline

圖10 工作內(nèi)壓條件下模型計(jì)算結(jié)果Fig. 10 Calculation results of the model under the working internal pressure

圖11 節(jié)點(diǎn)1的載荷位移曲線Fig. 11 Load-displacement curve of node 1

管段活動(dòng)端一周節(jié)點(diǎn)發(fā)生臨界屈曲時(shí)所受載荷如圖12所示。通過計(jì)算，可獲得在內(nèi)壓8 MPa，中間段管壁厚度7.1 mm條件下，管體發(fā)生屈曲的臨界外載荷約為2.551×106N?？梢宰⒁獾?，管體在整體軸向變形過程中，薄弱環(huán)節(jié)的屈服強(qiáng)度擾動(dòng)，引起了管體變形的不均勻。管體僅僅是在材料的最小屈服強(qiáng)度處發(fā)生了結(jié)構(gòu)坍塌，就使得管體外形結(jié)構(gòu)破壞，瞬間失去抵抗軸向變形的能力。

圖12 端部圓周節(jié)點(diǎn)載荷分布Fig. 12 Load-angle curve of the end circumferential nodes

3.2 影響因素分析

3.2.1 內(nèi)壓影響

應(yīng)用上述模型計(jì)算管道在不同內(nèi)壓條件下的變形情況，以此分析內(nèi)壓對管道屈曲變形的影響。在管壁厚度等其他參數(shù)不變的條件下，改變管道內(nèi)壓，利用ANSYS對管段進(jìn)行模擬分析，得到內(nèi)壓分別為10、9、8和7 MPa時(shí)管道屈曲的模型計(jì)算結(jié)果，不同內(nèi)壓條件下，管段活動(dòng)端初始節(jié)點(diǎn)的臨界載荷見表6。臨界載荷與管道內(nèi)壓關(guān)系如圖13所示。不同內(nèi)壓下，節(jié)點(diǎn)載荷位移曲線和一周節(jié)點(diǎn)所受載荷分別如圖14和圖15所示。可知，在相同條件下，管道發(fā)生屈曲變形的臨界載荷隨管道內(nèi)壓的減小而增大，也就是說，在一定范圍內(nèi)管道內(nèi)壓越小，管道抵抗變形的能力越強(qiáng)。故可采用減小內(nèi)壓的方法增強(qiáng)管道抵抗變形的能力。

3.2.2 壁厚影響

壁厚也是影響管道屈曲的重要因素。在管道內(nèi)壓等其他參數(shù)不變的條件下，改變管壁厚度，利用ANSYS對管段進(jìn)行模擬分析，得到管壁厚度分別為7.5、7.4、7.3、7.2、7.1 mm時(shí)管段屈曲模型計(jì)算結(jié)果，不同壁厚條件下，管段活動(dòng)端初始節(jié)點(diǎn)的臨界載荷見表7。臨界載荷與管道壁厚關(guān)系如圖16所示。不同管壁厚度條件下，節(jié)點(diǎn)載荷位移曲線和一周節(jié)點(diǎn)所受載荷分別如圖17和圖18所示。可知，在相同條件下，管道臨界載荷隨管壁厚度的增大而增大，也就是說，在一定范圍內(nèi)管道壁厚越厚，管道抵抗變形的能力越強(qiáng)。故可采用增加管道壁厚的方法增強(qiáng)管道抵抗變形的能力。

表6 不同內(nèi)壓所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)臨界載荷Table 6 Critical load of the nodes in different internal pressure

圖13 臨界載荷與管道內(nèi)壓關(guān)系圖Fig. 13 Relationship between critical load and internal pressure of pipeline

圖14 不同內(nèi)壓下節(jié)點(diǎn)載荷位移曲線Fig. 14 Load-displacement curve of nodes under different internal pressure

圖15 不同內(nèi)壓下端部圓周節(jié)點(diǎn)載荷分布Fig. 15 Load-Anglecurves of the end circumferential nodes under different internal pressures

表7 不同管壁厚度所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)臨界載荷Table 7 Critical load of the nodes with different pipe thickness

4 原因分析

綜合上述管材性能測試及有限元模擬分析，可以確定該段管道泄漏的原因?yàn)闅んw屈曲而出現(xiàn)皺褶，管道屈曲的原因是此處管道受力、焊縫、敷設(shè)位置以及降水等多種因素的復(fù)雜作用所致。

4.1 管道受力情況

根據(jù)宏觀檢測結(jié)果，鋼管發(fā)生明顯的彎曲變形和屈曲變形，且局部變形嚴(yán)重，嚴(yán)重變形截面右側(cè)因受拉而扁平，左側(cè)因受壓而屈曲，故鋼管上明顯有彎矩作用。

圖16 臨界載荷與管道壁厚關(guān)系圖Fig. 16 Relationship between critical load and pipe wall thickness

圖17 不同管壁厚度下節(jié)點(diǎn)載荷位移曲線Fig. 17 Load-displacement curve of nodes under different pipe thickness

圖18 不同壁厚下一周節(jié)點(diǎn)所受載荷Fig. 18 Load of the end circumferential nodes under different wall thickness

該段管道處于斜坡位置，且受高速公路隧道棄渣及設(shè)計(jì)的影響，管道易受到兩種典型載荷作用：垂直于鋼管的側(cè)向載荷和平行于鋼管的軸向載荷。這兩種典型載荷及內(nèi)壓的共同作用可能造成管體屈曲變形。

(1)側(cè)向力：在正常服役工況下，位于管溝內(nèi)的鋼管，其左、右及下方被土壤所束縛，在這3個(gè)方向不具備產(chǎn)生局部大變形的條件。而該屈曲管段失穩(wěn)彎曲角度達(dá)35°，且彎曲方向朝左側(cè)，說明了管體在屈曲時(shí)受到側(cè)向力的作用。

(2)軸向壓力：該鋼管局部產(chǎn)生了嚴(yán)重的屈曲變形，表明其承受過較大的縱向壓縮載荷作用，在該載荷作用下，管道局部發(fā)生了嚴(yán)重塑性變形。從屈曲形態(tài)及模擬分析結(jié)果看，軸向壓力應(yīng)是此次管道屈曲的主要原因。

4.2 環(huán)焊縫

屈曲部位非常接近管道環(huán)焊縫，盡管根據(jù)管道的力學(xué)性能測試，其材質(zhì)基本符合要求，發(fā)生屈曲并非管道制管及材質(zhì)問題，但根據(jù)金屬磁記憶檢測試驗(yàn)，管道環(huán)焊縫處殘余應(yīng)力分布不均，特別是螺旋焊縫與環(huán)焊縫交界區(qū)域存在一定程度的集中，表明焊縫處存在一定程度的幾何缺陷或材質(zhì)缺陷，屈曲與此處環(huán)焊縫的缺陷有關(guān)。

4.3 敷設(shè)位置

管道敷設(shè)于斜坡上，管道自重、土壤摩擦力均可能對管道施加較大的縱向載荷。此縱向載荷如果大到一定程度，可以導(dǎo)致管道發(fā)生屈曲。

盡管從現(xiàn)場情況看，管道敷設(shè)處并未發(fā)生明顯滑坡，但敷設(shè)管道時(shí)的開溝，維修管道的多次開挖，以及附近公路隧道施工等多種因素造成了擾動(dòng)，存在管溝內(nèi)的土壤蠕動(dòng)下滑的可能性，因此，不能排除土壤蠕動(dòng)下滑導(dǎo)致管道屈曲的可能性。

4.4 降雨及擋土墻

管道屈曲發(fā)生地雨量較為豐富，降雨對管溝內(nèi)的土壤下滑有一定的促進(jìn)作用。

擋土墻能防止管溝內(nèi)的土壤蠕動(dòng)下滑。管道發(fā)生屈曲部位的上方也修筑了多道擋土墻，但擋土墻非管道建設(shè)時(shí)期所加，而是后來新增的，其深度較淺，不一定能起到防止土壤下滑的作用。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

(1)宏觀檢測以及有限元模擬表明，管道皺褶符合軸向壓力、彎矩和內(nèi)壓聯(lián)合作用所致管道屈曲失穩(wěn)的特征，其中軸向載荷過大是造成管道屈曲失穩(wěn)的主要原因。

(2)管道發(fā)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象與管道的敷設(shè)位置、環(huán)焊縫缺陷、降雨和擋土墻失效均密切相關(guān)。

(3)增加管道壁厚、降低管道內(nèi)壓，可顯著提高管道抵抗屈曲失穩(wěn)的能力。

(4)在一定條件下，材料的沖擊功隨試驗(yàn)溫度增加而增大。

5.2 建議

(1)適當(dāng)增加管道壁厚是防止管道屈曲的有效措施。

(2)淺埋管道，減小管道的縱向摩擦力。

(3)合理設(shè)置擋土墻，并確保擋土墻的深度足夠并具有穩(wěn)定性，以起到防止土壤下滑的作用。

(4)鑒于沿大斜坡敷設(shè)的管道均存在軸向失穩(wěn)的可能性，不排除管網(wǎng)在其它地方也發(fā)生了管道屈曲，宜盡早開展管道內(nèi)檢測，排查管道發(fā)生屈曲失穩(wěn)的隱患。

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Local buckling analysis of a product pipeline

WU Xu, SHUAI Jian
China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China

Pipeline buckling is one of the failure modes of oil and gas pipelines, including local buckling and global buckling. The buckling and deformation of buried pipelines are complicated. The factors include the internal and external pressures, bending moment, axial force and so on.The pipeline is affected by its structural characteristics, and is prone to buckling when the stress and deformation conditions are slightly worse than its design tolerance. A comprehensive analysis and study of a local buckling failure of a refned oil pipeline was conducted. This was carried out by tensile testing, Charpy impact and pipe fracture mechanical tests to get the parameters of the conventional mechanical properties of the pipe. A fnite element simulation method was used and a buckling pipe model was established to analyze the stress and deformation of the pipeline under different loads and infuencing factors. The results show that under some conditions, the impact of the material tends to increase with an increase of the test temperature. The local buckling failure of a pipeline is caused by the combined effect of axial stress, bending moment and internal pressure. The axial load is mainly caused by the instability of pipeline buckling to reduce the internal pressure. Increasing the wall thickness can enhance the ability to resist deformation. The corresponding measures and suggestions for pipeline maintenance are put forward to reduce the risk to pipeline operation.

product pipelines; buckling deformation; axial load; fnite element analysis; material test; landslide

2016-11-15

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAK16B02)資助

10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.041

(編輯 馬桂霞)

武旭, 帥健. 成品油管道局部屈曲案例分析. 石油科學(xué)通報(bào), 2016, 03: 450-458

WU Xu, SHUAI Jian. Local buckling analysis of a product pipeline. Petroleum Science Bulletin, 2016, 03: 450-458.doi:10.3969/ j.issn.2096-1693.2016.03.041

*通信作者, sjclass@126.com, shuaij@cup.edu.cn