成品油管道局部屈曲案例分析-中国石油大学(北京)

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1、石油科学通报2016年12月第1卷第3期：450-458　油气安全专题　成品油管道局部屈曲案例分析*武旭，帅健中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京102249*通信作者,sjclass@126.com,shuaij@cup.edu.cn收稿日期:2016-11-15国家科技支撑计划项目(2015BAK16B02)资助摘要管道屈曲是油气管道的多种失效方式之一，包括管道的局部屈曲和整体屈曲。埋地管道屈曲变形较为复杂，主要影响因素包括内外压力、弯矩、管道的轴端力等。管道受其结构特性影响，在受力和变形条件稍有恶化时就容易发生屈曲破坏。本文针对某局部

2、屈曲破坏成品油管道进行全面的分析和研究。通过开展管材的拉伸、夏比冲击、断裂力学试验，得到管材的常规力学性能参数。利用有限元模拟的方法，建立屈曲管道模型，分析不同载荷下管道受力变形特点及影响因素，研究造成管道屈曲变形的主要原因。结果表明：在一定条件下，材料的冲击功随试验温度增加而增大；管道局部屈曲失稳是受轴向压力、弯矩和内压的联合作用所致，其中轴向载荷过大是造成管道屈曲失稳的主要原因；减少内压和增加壁厚可以增强管道抵抗变形的能力。关键词成品油管道；屈曲变形；轴向载荷；有限元分析；材料试验；滑坡0引言生的方向不同管道屈曲又被分为侧向屈曲和垂向屈曲。管道

3、容易在局部出现屈曲现象，这种情况下的屈曲叫[6-7]油气管道有多种失效方式，主要包括屈服强度失做壳屈曲。效、稳定性失效、疲劳失效以及断裂失效。其中稳定滑坡是威胁我国油气长输管道安全的主要地质灾[8-10][11]性失效即为管道屈曲，包括管道的局部屈曲和整体屈害类型之一，可能导致管道局部屈曲破坏，造[1]成严重的社会影响和巨大的经济损失[12]。本文针对曲。能够导致管道屈曲的主要载荷有内外压力、弯矩、管道的轴端力等。管道由于其壁薄而细长的结构某纵向滑坡导致局部屈曲的管道，进行管材性能测特性决定了其在受力和变形条件稍有恶化时就容易产试，用有限元模拟的方

4、法，对管道受力、影响因素及[2]屈曲原因进行分析，提出相应的措施与建议，为防止生屈曲破坏，由此造成的各方面损失巨大且难以修复。屈曲是结构丧失承载能力的一种形式，也就是结管道屈曲失稳的再次发生，降低运营风险提供一定的构丧失了保证其原有平衡状态的一种能力。管道的屈参考。曲破坏可能发生在管道的安装期间，也可能发生在运行运行期间。各种工作环境下的管道都比较容易发生1管道宏观检测[3-5]屈曲破坏，特别是在施工安装期间以及敷设期间。轴向力引发的屈曲响应实际上是管道离开初始位2015年，某管道由于山体滑坡导致管道发生局置，发生了大挠度的几何变形，整个过程类似于

5、梁在部屈曲故障，发生故障的管道直径475mm，壁厚轴向荷载达到临界值时发生的欧拉屈曲。另外据其发7.1mm，钢管为X60螺旋焊管，采用3层PE外防腐，引用格式：武旭,帅健.成品油管道局部屈曲案例分析.石油科学通报,2016,03:450-458WUXu,SHUAIJian.Localbucklinganalysisofaproductpipeline.PetroleumScienceBulletin,2016,03:450-458.doi:10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.041©2016中国石油大学(北京)清华大学

6、出版社有限公司http://sykxtb.cup.edu.cn成品油管道局部屈曲案例分析451设计压力10MPa。管道泄漏的原因为管壁皱褶，由于2材料试验皱褶处严重塑性变形，导致管壁出现裂纹而泄漏。发生泄漏的管道敷设在一条山坡上，泄漏点到山顶的距参考GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试离长约80m，斜坡角度约30°~45°。山坡一侧临近公验方法》、GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1路隧道，泄漏点上方设置有多道挡土墙。地表无明显部分：室温试验方法》、GB/T21143-2007《金属材料滑坡迹象，但由于沿山坡敷设，加之建管

7、和公路隧道准静态断裂韧度的统一试验方法》等标准，进行管材施工扰动等原因，存在管沟土层蠕动下滑的可能。的拉伸试验、夏比冲击试验和断裂力学试验，得到管如图1所示，皱褶发生在管道环焊缝附近，近环材的常规力学性能、夏比冲击功和断裂韧性，为后续焊缝处形成一环向“挤压型”带状鼓起。皱褶处的上的模拟计算提供较为真实的材料参数。结果表明管材部2点钟顺时针至6点钟位置扁平，下部6点钟顺时的理化性能基本符合相关规定。针至2点钟位置带鼓起，鼓起基本上是沿着管道的圆(1)拉伸试验周方向，皱褶高约7cm，宽约20cm。由于皱褶不是分别对管道轴向、环向共2组试件进行了测试，沿

8、环向均匀变形，管道在此处发生了弯曲，测得外弧所得管材力学性能参数见表1，相应的应力-应变曲线弯曲角约10°，内弧弯曲角约1