上海燃氣工程設計研究有限公司 魯國文

0 引言

崇明島—長興島—五號溝 LNG站天然氣管道工程的實施，是進一步完善和優(yōu)化上海市天然氣主干管網(wǎng)的需要，是崇明島、長興島和浦東經(jīng)濟和市場發(fā)展的需求，是崇明燃機電廠安全發(fā)展用氣的保證，也是實現(xiàn)長三角區(qū)域天然氣主干管網(wǎng)聯(lián)通的重要通道。同時，該項目已列入《上海市燃氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，所以盡快實施該段工程也是燃氣“十二五”規(guī)劃項目的要求。

超長距離小口徑隧道內(nèi)天然氣管道工程的規(guī)模及其基本參數(shù)如下：

天然氣管線：設計壓力6.0MPa，管徑DN800，長度約24 km，其中過江段約15.3 km，分為A、B兩線，A線為曹路過江井站—長興過江井站，全長約7.0 km；B線為長興北清管站—崇明清管站，全長約8.3 km。

為了順利推進本項目的實施，據(jù)現(xiàn)階段的相關基礎資料，對上海市天然氣主干管網(wǎng)崇明島—浦東管線工程項目中，過江天然氣管道工程進行總體設計施工分析和籌劃，對超長距離的水下隧道施工及管道安裝方案進行分析和比較，為工程建設增強施工工藝可靠性、安全性以及提高建成后管道天然氣運營安全性提供技術支持。經(jīng)過應力計算分析，給出崇明至長興北隧道內(nèi)管道支架形式為隧道內(nèi)滑動支架，豎井兩側采取錨固墩方式，是合理的布置方案。

1 應力計算依據(jù)

1.1 遵循規(guī)范

國內(nèi)輸氣管道工程設計中管道應力分析所遵循的規(guī)范為《輸氣管道工程設計規(guī)范》(GB 50251—2015)。該規(guī)范規(guī)定了不同地區(qū)條件的輸氣管道強度設計系數(shù)，從而確定管道的許用應力，同時規(guī)定了埋地直管段的軸向應力與環(huán)向應力組合的當量應力應小于管道最小屈服強度的90%，管道附件的設計強度不應小于相連管道直管段的設計強度，當管道受內(nèi)壓和溫差共同作用時，應校核彎頭應力并規(guī)定當彎頭所受的環(huán)向應力小于許用應力時，組合應力應為環(huán)向應力和由熱脹彎矩產(chǎn)生的最大環(huán)向應力之和，且小于材料的強度極限。

國外輸氣管道的應力分析主要遵循《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》(ASME B31.8—2016)。該規(guī)范詳細定義了約束管道和非約束管道，并按這兩種管道類型規(guī)定了內(nèi)壓、熱脹及其他載荷引起的軸向應力的詳細計算表達式，且分別列出了約束管道與非約束管道的軸向應力之和的計算式與許用值。

長距離小口徑隧道內(nèi)天然氣管道因其長度長，隧道內(nèi)情況復雜，所以簡單分析不能滿足實際施工及后續(xù)需求。本文考慮采用CAESARII應力分析軟件。CAESARII應力分析軟件是由美國COADE公司研發(fā)的壓力管道應力分析專業(yè)軟件，使用其內(nèi)置的ASME B31.8作為計算標準，可以對天然氣管道進行詳細應力分析。

1.2 主要參數(shù)

超長距離小口徑隧道內(nèi)天然氣管道，根據(jù)現(xiàn)階段的相關基礎資料，對應力計算需要的基本條件進行整理，基本計算參數(shù)見表1。

表1 天然氣管道計算參數(shù)

2 應力計算

本計算考慮到運行溫度T1=30 ℃、T2=35 ℃、T3=5 ℃與管道安裝溫度 T(20 ℃)溫差分別為10 ℃、15 ℃、-15 ℃；設計壓力6.0 MPa，強度水壓試驗壓力9.0 MPa；同時根據(jù)隧道內(nèi)是否充水分別考慮浮力荷載是否加載等，根據(jù)輸氣規(guī)范應力分析要求，需計算不同工況下的一次應力、二次應力、綜合當量應力水平。根據(jù)本項目的實際情況，共計算14種不同荷載工況，見表2。

表2 天然氣管道計算荷載工況

3 計算分析及結果

3.1 計算模型

在滿足各種工況管道一次應力、二次應力及綜合當量應力的前提下，調整管道支架布置形式及豎井深度，其中隧道內(nèi)管道支架跨距按照10 m考慮(主要由水壓試驗、彎曲應力、摩擦力確定)得出計算模型，見圖1、圖2。

圖1 長興北側工作井側管道模型

圖2 崇明島側接收井管道模型

3.2 計算結果分析

用CAESARII應力分析軟件輸入的模型，經(jīng)過上述 14種工況模擬后，進行應力比云圖及管道應力值云圖進行比對，結合《輸氣管道工程設計規(guī)范》(GB 50251—2015)及《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》(ASME B31.8—2016)兩規(guī)范中對管道許用應力的要求，進行計算后結果，見圖3和圖4(以工況1長興北側為例)。

圖3 工況1長興北側管道應力比

圖4 工況1長興北側管道應力值

3.3 工況1計算結果

工況1主要研究在安裝溫度20℃，管道運行溫度30℃，設計壓力6.0 MPa，隧道內(nèi)充水考慮浮力荷載的應力情況。

本工況下管道各處綜合當量應力在許用應力的27%～59%，滿足規(guī)范要求。最大當量應力位于10號節(jié)點，長興北側工作井的錨固礅處，最大應力220.64 MPa，占許用應力的59%。

軸向位移DX最大處是1688號節(jié)點，是崇明接收井的下彎管處，最大值為 245mm，該點豎向位移DY為-13mm。長興北側工作井下部彎管25節(jié)點處的DX軸向位移-238 mm，豎向位移DY為2.4 mm。最大豎向位移DY是18號節(jié)點，是長興北側工作井的上部彎管處，最大47 mm。

軸向力FX最大受力點是在10號節(jié)點，在出長興北側工作井的錨固處，最大受力-129 485.70 N，該點FY為102405.50 N，彎矩MZ為856132.10N·m。崇明側錨固礅受力情況為88817.59 N，豎向力FY為90710.74 N，彎矩為MZ為-541 080.20 N·m。豎向力FY最大點在1684號節(jié)點，是靠近崇明接收井的下彎管處最近的一個活動支架，最大受力FY為-206 950.60 N，F(xiàn)X為62 085.19 N。該工況條件下隧道內(nèi)其它滑動支架受力FX為4 588.10 N，F(xiàn)Y為15 293.65 N。

3.4 計算結果匯總

針對 14種工況進行上述應力分析后，將計算結果進行匯總。

一次應力最大值出現(xiàn)在工況 4，應力比為73.84%，最大應力為 274.92MPa，許用應力372.32MPa；二次應力最大值出現(xiàn)在工況11，最大應力為81.91 MPa；最大軸向位移值出現(xiàn)在工況1，軸向位移為245.67 mm；最大軸向推力值出現(xiàn)在工況1，F(xiàn)x=-129 486 N，F(xiàn)y=102 406 N，F(xiàn)z=0 N；計算結果均滿足規(guī)范要求，得出管線位移以及支架受力數(shù)據(jù)均為管道安裝提供了有力的技術支持。

4 結論與建議

4.1 結論

采用CAESARII軟件對長距離小口徑隧道內(nèi)天然氣管道應力進行分析研究后可得出以下結論：

(1)確定了崇明至長興北側隧道內(nèi)管道支架形式，隧道內(nèi)為滑動支架，豎井兩側采取錨固墩。

(2)確定了工作井及接受井的內(nèi)必需的立管空間深度要求。

(3)確定了安裝工況及運行工況下管道各節(jié)點的應力值(一次應力、二次應力、當量應力)，基本在80%的許用應力水平范圍內(nèi)，較合理。

(4)計算了管道在不同溫差下，固定支架承受的推力及各滑動支架的受力，以指導錨固礅及支架施工圖設計及訂貨，見圖5。

(5)計算了管道不同約束節(jié)點處的位移值。

圖5 隧道內(nèi)天然氣管道設計斷面

4.2 建議

(1)兩側井的設計要綜合考慮應力水平及當?shù)氐匦?、地質結構，作為井深確定的設計依據(jù)。

(2)滑動支架在下階段詳細非標設計及訂貨過程中，要根據(jù)應力分析計算的載荷確定。

(3)錨固墩及錨固法蘭的安裝應考慮專業(yè)隊伍施工，保持防腐層的完整及可靠錨固。

(4)建議在綜合應力較大處，設置應力監(jiān)控設施。

(5)集中載荷作為下一步抗浮塊重量選取的依據(jù)，下一步結合管道安裝空間，確定抗浮塊的具體結構形式。