煤气管网典型腐蚀及安全承载能力分析

煤气管网典型腐蚀及安全承载能力分析

2018年05

煤气管网典型腐蚀及安全承载能力分析

煤气管网典型腐蚀及安全承载能力分析

陆彬(西南石油大学,四川成都610500)

田莉(云南中石油昆仑燃气有限公司,云南昆明650000)

摘要:人工煤气条件下管道存在明显的腐蚀,管网中局

部管段出现较为严重的沉降,由中、低压条件下的人工煤气置换为中高、次高与高压输送的天然气,人工煤气管网是否具备置换的安全条件以及针对性的天然气置换方案如何制定,这对于保障城市燃气管网的公共与本质安全而言具有十分重要的意义。基于有限元方法,建立了腐蚀无沉降管段应力分析模型,计算0.17MPa~0.4MPa 运行压力下的管道等效应力值,确定了天然气置换时的试压与运行压力最高为0.4MPa 。基于Mohr-Coulomb 模型、面-面的接触方式与有限滑移大变形条件,利用摩擦系数控制管-土间的切向行为,建立了用于分析管道自重、土壤荷载与持液荷载综合作用下的沉降缺陷管段的非线性接触有限元分析模型,分析了管径、沉降段长度、内压、持液率与管道等效应力与变形位移变化之间的关系,指出在实际运行过程,缺陷尺寸为2.4cm×2.4mm 时,管道沉降长度不宜超过60m 。在人工煤气管网普遍存在腐蚀缺陷条件下,按照非线性有限元分析结果,结合《输气管道工程设计规范》GB 50251-2015,合理确定了人工煤气管网9个区域的安全运行压力介于0.1MPa~0.4MPa 之间。

关键词:煤气;管道;典型;腐蚀;安全

1人工煤气管网典型腐蚀缺陷分析

1.1典型腐蚀缺陷

管道内壁形成腐蚀损伤主要由化学腐蚀和电化学腐蚀共同作用而形成,从而在管道内壁形成腐蚀沟槽、深坑或大面积腐蚀减薄等,根据现场管道腐蚀缺陷检测与特征分析,某市人工煤气管网以体积型缺陷为主,包括管壁的均匀腐蚀缺陷、局部腐蚀缺陷等。

在某些区域人工煤气管道存在明显的沉降现象,沉降将导致管道发生位移变形,同时在该地区存在不同程度的积液和内腐蚀,积液将导致荷载的增加,内腐蚀的发生将使得管道出现局部应力集中和增大,直接影响到管道的安全运行能力。

通过管段的现场检测与取样分析,主要影响人工煤气管网安全运行的典型缺陷深度与长度为:(1)缺陷深度:2.4mm 、3.6mm 、4.8mm ;(2)缺陷长度与宽度:2.4cm 、3.6cm 、4.8cm 。1.2有限元分析与评价

管道中的凹坑缺陷长轴和短轴的长度近似相同,以3D 8node SOLID95为建模单元,并在腐蚀缺陷处进行网格细化,确保了模拟等效应力的准确。

合理的选择失效准则对管道剩余强度评定至关重要。20#钢管材的人工煤气管道缺陷区等效应力(Von Misses 应力)达到管材的屈服极限时,便认为管线失效。可采用基于如下所示的校核准则:

σ

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s =(1)

式中σs ——屈服应力,MPa ;

σ1、σ2、σ3——x 、

y 、z 方向上的主应力,MPa 。利用建立的无沉降管段腐蚀缺陷的有限元模型,可确定等效应力大小,结合校核条件判断无沉降腐蚀缺陷管道的安全运

行压力。

根据缺陷深度2.4mm 、3.6mm 、4.8mm ,缺陷长度与宽度2.4cm 、3.6cm 、4.8cm ,计算管道缺陷处的等效应力。

根据GB 50251-2015输气管道工程设计规范,选择强度设计系数0.4,可确定某市人工煤气管网无沉降管段的最大运行压力为0.4MPa 。

2含腐蚀缺陷沉降管道的安全评价

2.1沉降管道模型

管道弯曲的微分方程为:EI d 2y d x

2=M 0+S 0()y -v 0+qx 22-qlx 2(2)

式中:E 为管材的弹性模量,Pa ;I 为管道的截面惯性矩,m 4;y 为管道的扰度,m ;M 0为管道在x=0截面的弯矩,N 裝m ;v 0为管道在x=0处的挠度,m ;q 为管道及介质单位长度上的自重载荷,N/m ;l 为沉降长度,m ;S 0为当量轴向拉力,N 。

将边界条件|y x =0=v 0代入方程(5-2)得出跨中(x =l 2

)挠

度为:

f =ql 28S 0-1S 0æèçöø÷M 0+qEI S 0éë

êêêêêêêêêêù

煤气管网典型腐蚀及安全承载能力分析

úúú1

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+v 0(3)管道在x =0处的挠度、转角和弯矩分别为:

v 0

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y 0èql +2M

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θ0

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y 0èql +4M

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M 0

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4æèçöø÷y 04EI S 0C y 0D +èççø

÷÷

(4)式中:C y0为管道在xy 面发生移动时,悬空管道外土壤的综

合阻力系数,N/m 3

;D 为管道外径,m 。

管段的变形方程为:

y=f 0+qEI S 0H ×ìíîïïïïüýþ

ïïï

ï

æèç

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öø÷1+S 0EI ×M 0-f 0H q ×éëêêêêêê-S 0x ()l-x 2EI (5)式中:f 0m ;H 为横

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