含缺陷石油管道应力分析

    管道运输是一种大规模的石油、天然气的输送方式,其特点是经济、安全和不间断性。近年来,随着能源需求量飞速上升,油气管道向着大口径、高压储输及厚壁化的方向发展,且随着高寒地带油气田的开发,对输送管道的低温韧性要求也日益增高。目前国外新建油气管线的输送压力一般为10 MPa以上,有些甚至达到了15 MPa以上,最大管径多1 200 mm以上[1,2]。

    管道建设以焊接为主,而现场焊接的管道环焊接头质量对管道系统安全运行有较大影响,研究表明[3],管道焊接接头物化力学性能不均匀,容易产生不同程度应力集中、残余应力以及残余变形,其环焊接头不可避免地存在各种各样的焊接缺陷、焊接残余应力、焊接区材料组织性能劣化等影响管道安全运行的因素。另外,管道运行过程中,由于传输介质的特殊性、管线周围环境的恶劣及复杂性,管道焊接接头区受力复杂,并涉及到焊接拘束应力、残余应力、热应力以及地震、滑坡、温度剧变和管道铺设下沟时所受弯曲应力等等各种复杂因素。而管道一旦从焊接接头处发生断裂,裂纹扩展所需能量很小,扩展速度极快,造成断裂的突发性和灾难性很大。因此说焊接接头是管道系统的薄弱环节,研究含缺陷管道的应力分析,对于管道焊接质量及管道系统的安全运行具有重要的实际意义[4]。通过对石油管道进行缺陷分析和应力分析,为管道设计和建设提供了基础理论依据。

　　1　石油管道的力学特点

　　石油管道力学特点主要体现在受力的复杂多样上。下面以陆地输油管线和海底输油管线为例,简要介绍一下石油管道的受力情况。

    1.1　陆地输油管线

    一般说来,铺设在地表以下的输油管道,根据其周围的环境情况,管道受力如下:

    (1)由于覆盖层的压力作用会引起弯曲应力的产生。

    由于管道经过不同地理结构,覆盖层密度不同,产生的压力也不相同,并且不同覆盖层的承载能力也不同,由此造成管道的不同部分受力的大小不同,从而造成了弯曲应力的产生。

    (2)管道铺设与运行时的温度不同,造成管道因热胀冷缩而产生一个轴向的膜应力。

    管道在铺设时,各种施工均在与周围环境相同的条件下进行,而在实际运行过程中,管道是在一定温度下运行的,这种温度差异及不同管道段中的介质由于热量耗散产生的输送温度的差异就会造成一个平行于管道轴向的薄膜应力。

    (3)管道内压产生的应力。

    该应力在管道的直线部分是均匀的轴向拉力及环向拉力。

    (4)由于周围下沉与不下沉土壤间的边界状态、覆盖层的重量、管道的几何形状、温差等因素,产生由下沉载荷引起的弯曲应力。