天然气集输系统埋地弯管段安全评价

摘要

由于天然气易燃、易扩散的特性，天然气集输系统管道一旦发生泄漏或断裂，容易引发爆炸等灾难性事故。国内外天然气管道事故中有许多是由弯管失效引起的，弯管质量的好坏与承载能力的高低将直接影响到管道系统的安全，弯管的研究离不开其两侧对弯管受力变形有影响的直管。弯管及其两侧对弯管受力变形有影响的直管统称为弯管段，因此开展天然气集输系统埋地弯管段安全性的研究，有着重要意义。 本文从弹性抗弯铰法与有限元模拟两方面对天然气集输系统中埋地弯管段进行受力分析、变形分析、稳定性分析，从强度、刚度、稳定性三方面研究弯管段的影响因素、应力规律，并以普光气田为例，进行了高风险弯管段的预测。 埋地弯管段的影响因素研究结果表明：强度方面，转角在 5°~30°的弯管处于高应力区；刚度方面，转角在10°~30°之间的弯管，径向水平位移都处于较大值，容易发生卡阻。 基于弯管壁厚的环向与轴向不均匀性，本文提出了一种新的弯管建模方法，解决了弯管模型壁厚不连续引起的附加边缘应力问题。建立了内压与弯矩联合作用下壁厚不均匀弯管的有限元模型，运用应力分离技术，从更深层次分析了壁厚不均匀弯管薄膜应力与弯曲应力的分布特征。为了模拟管土相互作用，建立了埋地弯管的非线性接触模型。 以普光气田为例，对L360钢材进行力学性能测试。在运行状况下，从强度、刚度、稳定性三方面对所有弯管段进行了安全校核，在现行操作条件下，确定了普光气田整体弯管段的壁厚安全裕量为11%。分析得到了不同内压、温差、壁厚减薄量时普光气田弯管段的失效比例。依据失效条件反向分析确定普光气田弯管段的风险等级，综合分析各管段的强度、刚度、稳定性风险等级可知，普光气田高风险弯管段分布在6段管道上，包含4段Φ508管道、2段Φ406管道。高风险弯管段的转角介于10°~25°之间，在加强对这些弯管段的监测与巡查的同时，可以通过一定措施降低风险，具体包括增加弯管壁厚、增大弯管曲率半径、地面上方增加覆土等。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

第一章 绪论

1.2 国内外研究现状

1.2.1 弯管受力计算模型研究

1.2.2 弯管壁厚变化规律研究

1.2.3 弯管数值模拟研究

1.2.4 管道安全评价研究

1.3 本文研究内容

第二章 埋地弯管段受力计算模型与失效判据

2.1.2 土体荷载

2.1.3 管道内压

2.1.4 温度荷载

2.2.1 水平弯管段与竖向下凹弯管段的受力分析

2.2.2 竖向上凸弯管段的受力分析

2.3 埋地弯管的失效判据

2.3.1 强度理论

2.3.2 刚度理论

2.3.3 稳定性理论

第三章 埋地弯管段的影响因素研究

3.1.1 内压

3.1.2 温差

3.1.3 埋深

3.1.4 特征数

3.1.5 转角

3.1.6 壁厚减薄量

3.2 正交设计简介

3.3 因素显著性分析

3.3.1 应力

3.3.2 径向变形量

3.4 本章小结

第四章 弯管的有限元模拟

4.1.1 壁厚不均匀弯管建模新方法

4.1.2 模型可靠性验证

4.2 壁厚不均匀性对弯管应力的影响

4.2.2 应力分离

4.2.3 应力最大值

4.3 管—土耦合作用

4.4 本章小结

第五章 普光气田埋地弯管段安全性研究

5.2 力学性能测试

5.2.2 金相组织分析

5.2.3 力学性能

5.3 强度安全研究

5.3.2 不同工况下强度失效弯管的比例

5.3.3 强度高风险弯管

5.4 刚度安全研究

5.4.2 不同工况下刚度失效弯管的比例

5.4.3 刚度高风险弯管

5.5 稳定性安全研究

5.5.1 运行工况下稳定性校核

5.5.2 不同工况下亚稳定状态弯管的比例

5.5.3 稳定性高风险弯管

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果