徐超文
（中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司管道线路室，河北任丘062550）
摘要：输油管道危险角度范围的热煨弯头容易产生应力集中，导致弯头失效，因此有必要探讨热煨弯头的危险角度。利用CAESARⅡ软件，采用建立管道与土壤相互作用模型的方法，以阿赛线埋地输油管道增输改造项目为例，对其中埋地热煨弯头进行数值计算，通过模拟分析可知，阿赛线水平和纵向热煨弯头危险角度集中在20。~ 40。范围内，采用两侧不回填的方式释放管道对弯头的推力效果明显，而调整管道曲率半径对减小弯头应力效果不明显，因此应减少危险角度范围的热煨弯头使用，并采用不回填的方式减小弯头应力。
关键词：热煨弯头；危险角度；应力计算；安全防护
0 引言
架空管道失效的主要原因是设计跨距过大，造成管道垮塌，埋地输油管道受到土壤的自然锚固作用，其失效形式主要表现为温差应力引发的轴向失稳、热拱或因土体力学特性改变引发的应力集中。因此输油管道在投产阶段，经常发生弯头强度破坏、起拱露出地面或压瘪破坏。在阿尔善一赛汉塔拉输油管道增输改造项目线路设计中，管线需穿越多年冻土层，运行温度较高，管线承受的温差载荷较大，弯头处柔性值较高，在内压和温差共同作用下直管段的轴向变形易向弯头处积聚，导致弯头处承受弯矩过大，应力超标，需对这种可能造成弯头破坏或发生严重变形的情况采取相关措施。
弯头的强度计算是否符合要求还跟弯头的角度有关，若将弯头容易不满足应力计算要求的角度称为危险角度，该范围内弯头失效的情况将时有发生，阿赛线热油管道沿线地形行对起伏（见图1），使用热煨弯头较多，因此，探究热煨弯头危险角度且采取相应保护措施对管道运行安全十分必要。利用CAESARⅡ软件建立管道与土壤作用模型，并以阿赛线埋地输油管道增输改造项目为例，对其中埋地弯头进行数值计算，分析管道自重及液重、压力、以及温差等产生的应力对管道的影响，以此为基础进行弯头防护措施的探究。
1 计算模型及标准
1.1 理论模型
1.1.1 弯头模型
埋地热油管道温度发生变化时，弯头处将受到热胀弯矩的作用，将发生横向位移。为简化热煨弯头的理论研究过程，采用弹性抗弯铰模型。
1.1.2管道一土壤相互作用模型
管道沿线除大型穿跨越工程外，均采用沟埋方式敷设，热油管道及弯头埋设在土中，当弯头因升温而产生弯曲变形时，将引起弯管及两侧一定长度的直管段发生横向位移，土壤受管道横向位移的压缩将给与管道反作用力：
式中：F为土壤给管道的单位长度上的反作用力，N/m；D为管道直径，m；Ko为土壤的侧向压缩反力系数（表示土壤被管道横向推移单位距离时，在垂直于推移方向的单位面积上土壤给出的反作用力），kN／m3；r为管道的横向位移，即管道在水平面内弯曲的挠度，m。
在埋地管道的出土过渡段，埋地弯头两侧一定长度的直管段将发生轴向位移，只有当摩擦力逐渐积累到足以完全限制其轴向位移时，管道才被嵌固住。
1.2应力校核标准
国标和ASME系列标准内容，当弯头处由内压产生的一次环向应力小于许用应力时，热胀弯矩产生的二次应力与一次应力之后应满足：
式中：P为设计压力，MPa；d为弯头内径，mm；6。为弯管壁厚，mm；[盯]为许用应力，MPa，d；矗为强度设计系数，取0. 72；p为焊缝系数，取1；盯。为屈服强度，取360MPa；Uh为内压产生的一次环向应力，MPa；Uh。。。为热胀弯矩产生的二次环向应力，MPa。
经计算，管线弯头处由内压产生的环向应力小于许用应力，满足一次应力校核，具体结果见表1。
2 弯头应力数值计算
2.1 基本参数和参照标准
弯头所受应力主要包括：环向应力、轴向应力、剪应力和径向应力，环向应力由内压引起，方向垂直于轴向，平行于管壁圆周的切线。轴向应力是平行于管轴的正应力，剪应力是作用在于材料晶体结构平面相平行的方向，并且可能使晶体毗邻的平面相互产生滑动趋势的多种载荷，径向应力由内压引起方向平行于管子半径。阿赛线埋地输油管道增输改造项目中埋地管道弯头应力校核主要参照《pipeline Transportation Systems for Hydrocarbons andOther Liquid》ASME B31.4规程。
为研究温度、压力因素对不同角度的弯头应力的影响，忽略风载、地震等因素，主要考察操作工况下组合应力的情况，即[OPE]L1=W+T+P，模型分为水平弯头和纵向弯头，材质为API X52，管径273.1mm，壁厚7.1mm，管线设计压力为6.3MPa，保温层厚度40mm，原油密度860kg/m3，安装温度一5℃，操作温度取较高温度70。C，管道采用粉土和粉砂回填，摩擦系数取0. 55，内摩擦角300，其中水平弯头两侧直管段长度分别为220m、160m，埋深1. 5m，纵向弯头为简化计算过程，设计上弯弯头与下弯弯头连接，上弯弯头左侧水平段长度316m，纵向上弯弯头与纵向下弯弯头间距12m，纵向下弯弯头右侧水平长度312m。
2.2模拟计算过程
为准确模拟土壤与管道弯头的相互作用，需将弯头模型设置为3部分：弯头附近的塑性应变区域，距离弯头中心稍远的弹性应变区域，距离弯头中心较远被土壤完全锚固的无应变区域。CAESARⅡ软件将会自动完成塑性应变区域土壤约束间距较小，而无应变区域土壤约束间距稍大的设置。阿赛线埋地输油管道增输改造项目中，冷弯弯管的角度范围为4°~ 20°，曲率半径为40D（D为管道外径）。经核算，管道冷弯弯管在4°~ 20°角度范围水平及纵向组合应力均不超过许用应力的0.9倍，因此，在施工期间现场弯制冷弯弯管时，在保证按照技术规格书的要求进行的条件下，危险角度在冷弯弯管角度范围内可不予考虑。在该管径压力条件下，热煨弯头角度设置为20°~ 90°范围。
20°~ 90°热煨弯头加载土壤荷前后图片如图2、图3所示。
对20°~ 90°系列的水平热煨弯头(曲率半径为6D)进行组合应力的计算，CAESARII的计算结果见图4。
由于热煨弯头许用应力为0.9以= 324MPa，可见本工程水平热煨弯头在200~ 600范围内组合应力超标。纵向热煨弯头在20°~ 40°范围内组合应力超标集中。对于该范围内的危险角度，应对其进行相应的安全防护措施分析，减少或避免弯头的破坏。
3弯头安全防护措施分析
在设计压力、管径、壁厚确定的条件下，分别考察不同弯头曲率半径、埋深、土壤特性对管道应力结果的影响。尝试降低组合应力，考虑对热煨弯头曲率半径进行调整，6D调整为8D，或采用部分热煨弯头不回填，重新计算的结果见图5。
由图5可知，调整曲率半径至8D后对于组合应力值的改善效果不明显。
依据以往热油管道工程施工经验，将水平弯头两侧部分管段先不进行回填处理，待应力释放全完后再行回填。通过控制其他因素后，考察该工况下弯头组合应力情况表明：暂不回填处理可有效降低弯头处的组合应力，因此建议施工时，水平热煨弯头处的管段一定长度先不进行回填，待完全变形后再进行回填。
为了降低组合应力，考虑施工时，纵向热煨弯头处的管段一定长度先不进行回填，待完全变形后再进行回填。通过图5与表2的结合分析可知：20。纵向热煨弯头两侧不回填长度对管道应力校核影响极小，不回填长度达到20m以上方能通过应力校核条件。30°与40°水平和纵向热煨弯头两侧不回填最小长度均不大于10m即可满足应力校核条件。
4 结论与建议
利用CAESARⅡ土壤模型对阿赛线埋地输油管道增输改造项目中埋地弯头进行数值计算，模拟了热煨弯头应力计算过程，通过分析可知主要结论如下：
1)阿赛线水平和纵向热煨弯头利用两侧不回填的方式释放管道对弯头的推力效果明显，而调整管道曲率半径对减小弯头应力效果不明显。
2) 200～400范围为水平和纵向弯头组合应力超标集中区域，因此在管道工程设计初期应尽量避免上述角度，用冷弯弯管代替或其他方式减少热煨危险角度的存在。
3)水平热煨弯头应尽量避让20°~ 60°，纵向热煨弯头应尽量避让20°~ 40°，对于非危险角度的弯头建议按照施工技术要求实施即可。
鉴于进出站工况相对复杂，在进行该处热煨弯头的计算时，应考虑加设固定墩和暂不回填处理等措施的综合运用。
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