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埋地天然气管道冻胀变形的数值分析与处理

作者：jnscsh   时间：2021-07-22 08:45:52   浏览次数：次

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3数值模拟结果与分析

3.1温度场分析

因忽略了冻结过程土壤中的水分迁移，且冻结过程长达数月，故可将其近似看作稳态传热过程.通过三维热实体单元Solid90对管土模型进行热分析模拟计算，最终温度场分布结果如图2所示，并对埋地管道内表面至土体底部的温度随深度进行路径化处理，结果如图3所示.

由图2、3可知，由于埋地深度在2 m左右，所以地表温度变化对冻胀的影响很小.管道内气体温度维持在-7℃，通过管壁向周围土壤传递热量，导致埋地管道周围一定范围内的土壤受低温影响，形成了局部低温区域.随着土

壤深度的增加，管内及地表温度对土壤温度的影响逐渐减小.

3.2热力耦合分析

热分析求解结束后，将热与结构单元相互转换，从而进行静力分析.考虑到管道与土壤之间的相互摩擦，埋地管道外表面刚性目标面采用Targe170目标单元，土体为柔性接触面，采用Conta173接触单元，从而进行非线性接触分析.管道各方向及总位移云图如图4所示.对埋地管道直线段进行路径化处理，获得位移随距离的变化，结果如图5所示.图6、7分别为考虑和不考虑冻胀影响时管道的应力分布云图.

由图4、5可知，由于埋地弯管与直管处的冻胀差异性，埋地管道的横向变形主要集中于弯管处，而埋地管道的直管处主要为轴向变形和因冻胀导致向上抬起变形，竖直方向最大位移约为35 mm，而埋地管道的总位移随着管道距离的增大呈下降趋势.在管内压力和冻胀的共同作用下，由于埋地管道弯管处周围土壤的抗拔阻力无法完全固定，导致直管处的位移会向弯管处富集，使得埋地管道弯管处产生较严重的横向位移与弯曲变形，发生显著的应力集中现象，容易使弯管处发生破坏，这对管道损害极大，因予以预防.

3.3应力评定

对上述管道最危险区域进行应力评定.应力

评定路径上的薄膜应力为一次局部薄膜应力，其强度用1.5Sm进行限制，Sm为材料的许用应力强度.同时，路径上还存在弯

曲应力，属于二次应力，它与一次局部薄膜应力强度之和用3Sm限制.这两个应力限制条件须同时满足，才能确保管道不发生失效.

管道最大应力点的评定结果如表3所示.由表中可知，管道最大应力点集中在埋地道管弯管处，一次应力以局部薄膜应力为主，主要由平衡内压所致，因管内压力不大，管壁较厚，故不会发生强度破坏.二次应力为自限性应力，主要

由协调冻胀变形所致，冻胀效果越显著，二次应力就越大.本文中，当燃气管道受内压和冻胀影响发生一定量的变形后，管道仍处于安全状态，不会出现强度问题.但当冻土消融后，管道可能无法完全复位，多次往复，管道水平位置升高，必将对该站的安全、平稳运行埋下隐患.

4技术处理措施

4.1预加热法

预热法是目前国内外管道工程中解决冻胀最行之有效的方法，可以从根本上解决埋地管道冻胀问题.当天然气进站温度低于设定的警戒温度时，

则需对其进行预热后再流经节流阀.预热装置可采用管壳式热交换器，热源可采用燃烧天然气的热水锅炉或蒸汽锅炉.

4.2置换土法

将管道冻胀影响范围内的土壤置换成排水性较好、冻胀性小的卵石或沙土，并在沟槽内增设防水层，防止周围的水渗入其中.此外，在槽底部设有集水沟，将积水引入竖井，再使用抽水设备将水及时排出.对一些压降大的管段，亦可采用涵洞式，将管道与周围土层隔绝，从而避免土壤受管内低温影响产生冻胀.但是目前该方法国内外尚无明确规范可循.

4.3绝热保温措施法

对节流后的埋地低温管道采取绝热保温措施.管道防腐层检漏合格后，可采用聚氨酯泡沫对管道和管汇进行绝热保温，并在保温层外做相应的防水防腐措施.

4.4冷能回收法

使用透平膨胀机代替节流阀，从而对高压天然气进行降压，将中压低温天然气与冷媒乙二醇进行热交换，用以回收富余的天然气降压后产生的冷能，存储在蓄冷装置中，供应给站内办公楼制冷系统，最后将中压常温的天然气输配至城市中压天然气管网.

4.5其他措施

采取间歇输气方式或电伴热方法；采用符合相关标准，材料强度、韧性好的钢管；站内管道按照规定设置分段阀门；针对冻胀制定运行应急预案，通过严密观察、准确测量将数据记录在案，密切监测管道受冻胀的影响程度.

5结论

对公称直径较大的天然气埋地管道进行设计时，应综合考虑管材性能和周围土壤物性，对易发生饱和的土壤类型应予以重点关注.对于经降压分输的埋地管道，在内压和冻胀作用下，即使土壤发生了一定程度的冻胀导致管道发生较大的变形，管道还是安全的.但仍应采取相关针对性的技术预防措施，避免埋地管道受冻胀影响所产生的积累性变形，造成安全隐患和破坏.

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