浅析穿越水域输气管道裸露悬空段的应力敏感性

作者：郑晓敏

   对于穿越水域输气管道裸露悬空段的研究，蒲爱华等采用平稳二项随机过程作为概率模型，针对三种水下穿越管道的服役状态，计算出管道的可变荷载；王海兰等运用有限元软件对洪水冲击输油管道进行模拟，得到水冲悬空管道危险点的位置；姚安林等利用有限元软件模拟分析高速水流冲击下的悬空管道，得到不同水流速度作用下管道发生破坏的临界悬空长度。以上学者对裸露悬空管段进行应力分析或管道临界状态的研究，但均未对管道应力的敏感性进行分析。鉴于此，笔者通过应用Workbench软件，对水流和管道进行流固耦合，计算并分析管道应力分布，综合考虑影响裸露悬空管段的各主要因素，比较分析管道应力对各因素的敏感性，以期为穿越水域输气管道裸露悬空段的风险评估、工程设计和防灾减灾提供理论依据。

1  裸露悬空管段的有限元模型

裸露悬空管段是指由于洪水的冲刷，埋地敷设的输气管道与河床不发生直接接触的裸露悬跨管段。水流冲刷河床与水流下切作用，造成管道局部裸露悬空，管道物理模型如图1所示。以实际工程为例，管道管材为X70钢，弹性模量为210GPa，屈服强度为485MPa，管材密度为7 850kg/m3，裸露悬空管段的主要参数如表1所示。

由雷诺数公式Re=puD/ru,，可以计算该管段周围水流处于湍流。输气管道输送温度一般为常温，且悬空管段位于水中，温度变化不大。由于水的动力粘滞系数对压力计算结果影响很小，故近似取在20℃下的动力粘滞系数u为1. 005×10-3 Pa．S。为了使管后流场充分发展，设定管后流体区域长度为管前的5倍，计算模型如图2所示。

利用ANSYS Workbench的几何单元建立有限元模型如图3所示，首先建立流体域模型，将管道附近流体建立加细网格区域，并定义靠近管道的平面入口面。

采用FLUENT模拟水流冲击下的悬空裸露管道。假设水流均匀，入口面采用速度人口，出口面是自由梯度出口，上边界和下边界分别设定为固壁。采用非稳态RNGk-s模型模拟漩涡，采用SIMPLE算法对压力速度进行耦合，湍动能和湍流耗散率设置为二阶精度，计算收敛精度设为10一。根据计算结果可知，管道周围流场参数梯度变化较大，提取裸露悬空管段中点截面流场图4所示。

  悬空管段在水流的作用下，管道周围压力梯度变化较大，沿z轴方向，管道迎水面受到水流作用力大于背水面，沿y轴方向，管道上下面受力较小。

  进入Static Structural模块，建立管道模型，假设管道呈水平布设，表面无缺陷，不考虑地震及温度变化的影响；将埋地管段受到的土壤支反力用一定间距的若干根弹簧代替，弹簧与管周围表面呈点一面接触，弹簧的刚度和自由度由填覆土质决定。设定埋地管段长度为裸露悬空管段的一半，使管道模型两端近似固支。

在悬空长度为40m的条件下，管道Mises应力云图如图5所示。管道最大Mises应力值为385MPa，在裸露悬空管段中点管道位移量最大，在管道的两端及中点出现较为明显的应力集中。由于管道最大Mises应力值小于管材屈服极限485MPa,故管道处于安全运行状态。

2  裸露悬空管段应力敏感性分析

  敏感性分析是一种应用于技术经济领域的可行性分析方法。而对于管道应力的敏感性分析，在影响管道应力的因素不确定时，分析其中一个或多个因素变化对管道应力的影响程度，以确定影响管道安全运行的主要因素及其重要性。

2.1  敏感性因素的选择

  基于对水流冲击下裸露悬空管段应力的计算分析，影响管道应力的主要因素主要来自两个方面：几何特性和外部受力。在几何特性方面，主要分析管道的径厚比和管道悬空长度对管道受力的影响；在外部受力方面主要研究水流速度和入土端边界条件（土弹簧刚度）的影响。

2.2裸露悬空管段应力敏感性方法

由于影响穿越水域输气管道裸露悬空段应力的因素较多，故采用单因素敏感性分析法对管道应力进行敏感性分析。为便于定量分析，以上节实例中的参数为标准，分别将各影响因素设为单一变量，计算管道应力值，并根据由标准参数计算出的管道应力值，得到该因素变化对应的敏感度系数。敏感度系数计算公式如下：

  式中：E为管道应力盯对于影响因素F的敏感度系数；△cr/o-为影响因素F发生AF变化时，管道应力盯相应变化量，%；AF/F为影响因素F的变化量，%。

  当E大于0时，管道应力与影响因素呈同向变化；E小于0时，管道应力与影响因素呈反向变化。l E|越大则敏感系数越高，若敏感度系数绝对值越高，则该影响因素对目标影响程度越大。

2.3各影响因素对管道应力的敏感性计算

通过上述数据代入软件模型中计算出参考数据下的管道最大Mises应力值，再设定各影响因素变化量为±10%、±20%、±30%、±40%、±50%时，通过Workbench软件计算管道在运行状态下的Mises应力值，将分析结果汇总于敏感性分析表，并绘制敏感性分析图，结果如表2和图6所示。

  由表2和图6可知，各影响因素对管道最大Mi-ses应力值的影响程度从大到小依次为径厚比、悬空长度L，水流速度u、土弹簧刚度K；其中，管道应力值与管道径厚比、悬空长度L、水流速度u呈相同方向变化，与土弹簧刚度呈反方向变化。

通过以上分析可知，管道径厚比和悬空长度L是影响裸露悬空管段应力值的关键因素，根据公式(1)分别计算管道最大Mises应力值对各个影响因素在不同变化量下的敏感度系数值，计算结果如图7所示。

  由图7可知，管道最大Mises应力值对于径厚比的敏感度系数不受径厚比变化量大小的影响，其敏感度系数在0.9左右浮动。随着悬空长度增加，管道应力对悬空长度的敏感度系数呈非线性上升，其对应变化范围0. 35~0.78，说明当管道悬空长度越大，其对于管道应力的影响程度增大。同理，随着水流速度u的增加，管道应力对水流速度的敏感度系数增大，其对应变化范围0. 28~0.47，相较与悬空长度，对管道应力的影响程度较小。而对于土弹簧刚度，管道应力对其敏感度系数IEI<0.01，远小于其余3个影响因素，故未在图表中表述。

  由材料力学可知，在结构最可能失效点的应力值（最大Mises应力值）大于屈服强度时，管道材料进入屈服阶段，进而发生管道失效。通过上述分析可知，管道径厚比和悬空长度两个参数最容易造成管道失效。

  在实际工程中，管道径厚比在管道设计阶段已经确定，然而随着管道服役时间的增长，管道因腐蚀而导致壁厚减薄，致使管道径厚比增大，管道应力值增大。故应定期对管道壁厚进行检测，避免裸露悬空管段因径厚比增大，导致管道应力值大于屈服强度而造成断管事故。

  由于裸露悬空管段是因为水流冲刷河床与水流下切作用而形成，悬空长度可能因为水流持续冲刷覆土而增加，且随着悬空长度的增加，悬空长度对于管道应力的影响程度增大。故可以通过减小管道悬空长度（如管道中间设置稳管桩）来降低管道受力，并且降低其对管道应力的影响。

  因此，为保证管道的安全运行，需要对以上两个参数进行监测和控制，并且对敏感性较强的参数再作进一步的风险分析。

3结论

  通过建立穿越水域输气管道裸露悬空段力学模型，应用有限元软件进行水流和管道之间的流固耦合数值模拟，选择影响管道受力的主要因素，得到不同影响因素下管道的最大Mises应力值，采用单因素敏感性分析法对各个影响因素进行分析，得到以下结论：

  1)管道应力值随着管道径厚比、悬空长度、水流速度等参数的增大而增大，随着土弹簧刚度的增大而减小。

  2)识别出管道径厚比和悬空长度是影响管道应力的关键因素，且管道径厚比对管道应力的影响程度更大。

3)对裸露悬空管段应力的敏感性分析，在一定程度上定量描述了各个不确定因素变动对管道应力的影响，有助于确定影响因素变动对管道安全运行所能允许的程度，从而制定应对措施，降低穿越水域输气管道裸露悬空管段事故风险。

4摘要：为保证穿越水域输气管道裸露悬空段的安全运行，需要对裸露悬空段的应力进行敏感性分析。根据流体动力学和固体力学理论，利用有限元软件对水流冲击下的裸露悬空管段进行流固耦合模拟分析，并找出影响管道受力的主要因素。基于模拟计算结果，采用单因素敏感性分析法分析各影响因素对管道应力的影响程度，计算各敏感度系数并识别出影响管道应力的关键因素。计算结果表明：裸露悬空管段的径厚比和悬空长度为影响管道应力的关键因素，两者与管道应力同方向变化，且管道应力对径厚比的敏感性相较于其对悬空长度更强。