表面敷设管道的应力分析(PDF格式)

表面敷设管道，顾名思义，是在松散的沙漠沙子表面不受任何约束地敷设的管道。与其他无约束管道不同，这些无约束管道没有管道支撑来约束位移，因此在分析此类管道时采用了不同的方法和技术。

本文的目的是说明用Caesar II模拟和分析表面敷设管线的方法，以及在应力分析中应注意的问题。

管道的表面铺设是客户出于成本效益考虑而选择的。它大大节省了建设成本、维护成本和运营成本。

地面敷设管道场地

地面铺设管道基本上选择了沙漠地点，管道铺设在从井口到集输设施的走廊上。

地上敷设管线

地面上铺设的管道(图1)的布线方式应确保管道不会因热膨胀和/或收缩、内部压力和其他设计内外载荷的影响而发生过度运动。地上管道的轴向和横向扩张应尽量限制。根据CAESAR II地面管道应力分析建议，膨胀回路的设计应适应轴向运动。

在CAESAR II软件中，地上管道应建模为“无约束”，并应使用ASME B31.4/B31.8代码计算进行分析。

无支撑地面敷设管道应按无约束管道安装，并遵循自然标高

图1和图2显示了典型的现场图像，说明了地面铺设管道的样子。

相当大的点地面敷设管线

在设计地面敷设管线时，必须考虑以下几点。

1. 热弯管壁变薄
2. 道路十字路口的壁厚
3. 弹性和冷场弯曲的最小半径
4. 纵应力、锚力及自由端膨胀计算
5. 等效/纵向应力计算
6. 屈曲剧变
7. 稳定

1. 热弯管壁减薄:

用于弯曲热弯的过程导致管壁厚度变薄。这种减薄作为壁厚百分比的指示可以由BS 8010-2.8第2.8.3.9段所述的经验公式确定

n=内弯半径除以管径

2.十字路口的壁厚:

该计算确定了在道路十字路口承受正常车辆载荷所需的最小壁厚。计算将基于API RP 1102中使用的方法。

3.弹性和冷场弯曲最小半径:

对于液体管线，冷场弯曲的最小曲率半径应根据ASME B31.4条款404.2.2的要求确定，以确保弯曲不会过度受力。对于气体管线，冷场弯道的最小曲率半径按ASME B31.8表841.2.3-1的要求确定，以确保弯道不会超应力。

4.纵向应力、锚力和自由端膨胀计算

该计算的目的是确定有约束/无约束管道中由于安装温度与操作压力之间的差异而引起的纵向应力，并计算潜在锚固力;自由端扩展和虚拟锚的长度。

ASME B31.8规定，膨胀应力、纵向压力应力和外加弯曲应力之和不得超过材料规定的90%的最小屈服强度。此外，燃气管道的纵向压力应力和外加弯曲应力不得超过SMYS的75%。

5.等效/纵向应力计算:

ASME B31.4使用等效拉应力来控制液体管道中的组合应力。等效拉应力等于施加在管道上的环向应力与纵向应力之和。等效拉应力极限设为SMYS的90%。

6.屈曲剧变:

可以进行隆起屈曲计算，以确保纵向力不足以迫使管道脱离地面。所需的下压力将使用OTC 6335 -海底管道抗隆起屈曲设计，1990中描述的方法进行计算。所需的下压力取决于轴向力，轴向力在热膨胀计算表中计算。

7.稳定性:

确定管道通过水道的垂直稳定性的方法是计算管道的总重量，并将其与管道将排开的外部流体(水)的重量进行比较。为了使管道被认为是稳定的，管道重量必须比排水量的重量大10%

应力分析的要点

1. 在进行应力分析时，分析人员应检查系统的最大横向偏转，以确保考虑到规范中提到的流线之间的间距，相邻的流线在运行时不会相互交叉。

2.设计应通过在路线上引入偏移/扩展环来增加灵活性，同时线路的横向偏转应在限制范围内，使线路组不会干扰相邻线路。

在凯撒II中建模的程序

为表层铺设的流线建模的方法有点棘手和繁琐，所以在凯撒II中建模时必须采取适当的小心。由于整个系统是不受约束的，一个微小的错误可能会给出不正确的结果。

下面是基本的方法用于模拟表面铺设的管线。

由于管道是表面铺设的(除了在道路/轨道/其他管道交叉处，其中它是U/G)，恺撒II(或任何其他此类软件)中无法直接模拟表面铺设的线路，因为沿着管道路线的自然土壤是连续的支撑(相当于无限个支撑)。因此，连续的土壤支撑由离散的土壤弹簧来处理，也可以选择不超过5D的距离(即5*219.1 = 1095.5 mm，例如8英寸)的紧密弹簧。支撑间距应取最接近的圆形数字(以8英寸为例，每1000毫米)，在垂直方向上使用近似刚度，也使用0.5的摩擦值(在这种建模中，摩擦值随位置而变化)。

这种建模方法是由COADE (CAESAR II的开发者)推荐的。

CAESAR II求解土体支撑刚度的程序如下:

利用实际设计数据建立管道的小应力模型。小模型可以有25个节点，每个节点间隔在直线的5D距离上。模型应使用CAESAR II®的地下建模器进行掩埋，假定土壤深度为管道直径的一半，并使用典型的土壤设计参数。在掩埋转换时，该程序在样品模型的转换模型中插入土壤弹簧。Y2刚度应按转换后的样本模型中对应的中间节点数(不受结束条件影响)来解读。这是在实际管道模型中作为正常休息支撑使用的刚度。

如果5D支架间距的应力模型由于大量的土壤约束而产生收敛问题，在几个非收敛支架处去除摩擦的选择将导致结果的不准确性。为了克服这一问题，可以采用更大支撑间距(<50D Typical)的应力模型。在这种情况下，要使用的垂直支承刚度应使用上述计算土体支承刚度随支承间距增加的程序来确定。另一种方法是参考土建报告中的代表性垂直刚度值，可用于模拟地面铺设线路的土弹簧。

为了获得接近真实的结果，建议采用实际的流线剖面进行建模，以获得合适的轴向和侧向位移。

上面的文章给出了需要注意的一般考虑的更广泛的视角。