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對(duì)穿越黃河管道懸空段治理措施的分析

文檔作者：丁鵬張敏2 文檔來(lái)源： 1．中國(guó)石油規(guī)劃總院 2．中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月03日
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第38卷第2期 石 ,it 程建設(shè) 79
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丁 鵬 ，張 敏2
(1．中國(guó)石油規(guī)劃總院，北京 100083；2．中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京100083)
摘 要：由于河流的沖刷作用，某穿越黃河輸油管道懸空段長(zhǎng)度達(dá)到49 m，受力狀態(tài)十分危險(xiǎn)。針對(duì)
其特定的地理位置及環(huán)境條件．提出了設(shè)置拉索的治理方案。文章通過(guò)對(duì)懸空管道治理前后應(yīng)力及渦
激振動(dòng)的計(jì)算分析．得出該治理方案可有效減小懸空管道應(yīng)力。但還不能防止懸空管道因渦激振動(dòng)產(chǎn)
生疲勞破壞的結(jié)論
關(guān)鍵詞： 輸油管道；渦激振動(dòng)：懸空長(zhǎng)度：應(yīng)力分析
doi：l0．3969／j．issn．1001-2206．2012．02．022
某穿越黃河管道始建于1984年． 由于黃河水
流的長(zhǎng)時(shí)間沖刷．2008年4月黃河北岸的管道已
經(jīng)裸露懸空．經(jīng)潛水員入水檢測(cè)．懸空段長(zhǎng)度達(dá)
49 m．如圖1所示 管道使用單位對(duì)該管道的安全
狀態(tài)十分擔(dān)心．為保證管道的安全運(yùn)行．采取了
相關(guān)措施對(duì)懸空管道進(jìn)行治理
黃
圖1 某舅越黃河雷遭懸空段示意
1 穿越黃河管道懸空段的治理措施
該穿越黃河輸油管道為雙層管加重結(jié)構(gòu)．鋼
管材料為16Mn．內(nèi)管尺寸為D 529 mm x 7mm．外
管為D 630 mm x 6 mm 內(nèi)外管的中間層注入水泥
漿，泥漿固化后密度為2 200 kg／m3．彈性模量為
60 GPa。管道操作壓力為4 MPa．輸送原油密度為
850 kg／m 。黃河水的密度為1 000 kg／m3．最大流速
2．0 rn／s。懸空管道在不同水流速度下發(fā)生渦激振動(dòng)
的臨界懸跨長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1
表1 懸空管道渦激振動(dòng)臨界跨長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果
如果按當(dāng)?shù)?月黃河的最大水流速度2．0 m／s
計(jì)算．懸空管道發(fā)生渦激振動(dòng)的臨界懸跨長(zhǎng)度為
35 1TI。而實(shí)際檢測(cè)到的管道懸跨長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到49 in．
可見(jiàn)。該懸空管道已處于較危險(xiǎn)的渦激振動(dòng)狀態(tài)
因此．必須采取有效措施以減小管道的懸空長(zhǎng)度
鑒于懸空管道處于黃河水道上．傳統(tǒng)的打樁方
法無(wú)法實(shí)現(xiàn) 通過(guò)對(duì)穿越黃河輸油管道的現(xiàn)狀調(diào)
查．結(jié)合其特定的地理位置及環(huán)境條件．提出施加
拉索的解決方案 具體措施為：在懸空管道距黃河
北岸18 In處和36 m處各設(shè)一條拉索，拉索施加預(yù)
應(yīng)力20 kN．對(duì)懸空管道進(jìn)行約束．緩解懸空管道
的受力
2 懸空管道治理前后安全狀態(tài)分析
通過(guò)對(duì)懸空管道治理前后應(yīng)力及振動(dòng)的計(jì)算分
析．對(duì)治理措施的效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)
2．1 懸空管道治理前后應(yīng)力分析
對(duì)于該懸空長(zhǎng)度達(dá)到49 in的輸油管道．考慮
懸空管道兩端的約束情況．可假定懸空管道兩端為
固支．對(duì)治理前后懸空管道的受力進(jìn)行計(jì)算．得到
治理前、后懸空管道的彎矩圖分別如圖2和圖3所
示．應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2
M =372．05
圖2 治理前懸空管道彎矩分布／kN·m
80 石油工{jc建設(shè) 2012年4月
125．48
圖3 治理后懸空管道彎矩分布／kN．m
表2 治理前后懸空管道受力比較
載荷- -0一 治理前l(fā)ll 蠢 穗零寅 ■ 艇羞 謄 {
最大彎矩／kN·m 744．1 257_39 65．4％
最大Mises應(yīng)力／MPa 343．3 203．8 40．6％
可以看出．未加固前懸空管道的最大彎矩為
744．1 kN·1TI． 加固后懸空管道的最大彎矩為
257．39 kN·m．減少了65％。
從表2可以看出．加固前懸空管道的最大
Mises應(yīng)力達(dá)到343．3 MPa． 已經(jīng)十分接近管道材
料16 Mn的屈服強(qiáng)度(351 MPa)。加固后懸空管
道最危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)(黃河北岸管道端點(diǎn))承受的應(yīng)力減
小為203．8 MPa．比治理前減少了40％
由此可見(jiàn)．采用懸索方式的治理措施對(duì)懸空管
道的受力情況改善較大．可以防止管道懸空段的強(qiáng)
度破壞。
2．2 懸空管道治理前后振動(dòng)分析
當(dāng)垂直于管道的水流流經(jīng)管道時(shí)．管道所受
的流體質(zhì)點(diǎn)壓力就從自由流動(dòng)壓力升高到停滯壓
力．靠近前緣的流體高壓促使正在形成的附面層
沿管道兩側(cè)逐漸發(fā)展．在管道最寬截面附近．附
面層從管道表面的兩側(cè)脫開(kāi)。并形成兩個(gè)在流動(dòng)
中向尾部拖曳的剪切層。這兩個(gè)自由剪切層形成
尾流的邊界．并在尾流中形成一個(gè)旋渦．從而誘
發(fā)管道振動(dòng) 當(dāng)旋渦脫落的頻率逼近管道固有頻
率時(shí)．旋渦脫落的頻率將與管道的固有頻率連鎖
在一起．緊接尾流的連鎖共振把能量輸送到管道，
于是造成大振幅的振動(dòng)．管道在這種大振幅的振
動(dòng)下．易發(fā)生疲勞破壞。因此，對(duì)于懸空管道，
應(yīng)嚴(yán)格控制其長(zhǎng)度．使其固有頻率避開(kāi)旋渦脫落
的頻率。
按照DNV規(guī)定．當(dāng)折算速度V =4．5時(shí)，易發(fā)
生“鎖振”現(xiàn)象，從而誘發(fā)管道的橫向渦激振動(dòng)。
施加拉索的治理措施能夠增加懸空管道的軸向
力．軸向力可以在一定程度上改變懸空管道的受力
情況．從而對(duì)懸空管道的振動(dòng)產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)治
理前后管道懸空段固有頻率及折算速度的計(jì)算分
析．研究了治理措施對(duì)懸空管道振動(dòng)參數(shù)的影響．
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 采取治理措施前后懸跨管道振動(dòng)參數(shù)計(jì)算
赫 宥頻率 ll 、_ 折算速度
； 納 流遵 l5m，s 流速2．Om／s 流速2．5m／s
治理前 O．69 3．02 4．03 5．04
治理后 O．714 2．9l 3．89 4．86
從表3可以看出．采取治理措施前．懸空管道
固有頻率為0．69 Hz．采取治理措施后固有頻率為
0．714 Hz．可見(jiàn)．治理方案對(duì)懸空管道的固有頻率
有一定影響。當(dāng)黃河水流速度達(dá)到2．5 m／s時(shí)，治
理前懸空管道的折算速度為5．O4．治理后減小到
4．86．但仍然超過(guò)懸空管道發(fā)生橫向渦激振動(dòng)的折
算速度4．5．此時(shí)。懸空管道易發(fā)生橫向渦激振動(dòng)。
雖然當(dāng)?shù)?月份黃河水流速度最大為2．0 rn／s．
尚不能引起懸空管道的渦激振動(dòng)現(xiàn)象．但隨著夏季
的到來(lái)．降水增多．黃河水流速度將進(jìn)一步增大，
當(dāng)水流速度達(dá)到或超過(guò)2．5 s時(shí)．現(xiàn)有的治理方
案并不能有效緩解懸空管道的渦激振動(dòng)現(xiàn)象．長(zhǎng)時(shí)
間的渦激振動(dòng)極可能造成管道的疲勞破壞。
3 結(jié)束語(yǔ)
(1)通過(guò)對(duì)穿越黃河管道懸空段治理前后的應(yīng)
力分析?？梢缘玫剑褐卫泶胧?duì)懸空管道的受力情
況改善較大．能夠有效減小懸空管道的應(yīng)力．防止
懸空管道發(fā)生強(qiáng)度破壞
f2)通過(guò)對(duì)穿越黃河管道懸空段渦激振動(dòng)的計(jì)
算分析可知：治理措施對(duì)改善懸空管道渦激振動(dòng)現(xiàn)
象作用不大．不能避免管道的疲勞失效。
(3)考慮到現(xiàn)有治理方案不能有效防止懸空管
道因渦激振動(dòng)產(chǎn)生的疲勞破壞．從管道的長(zhǎng)久安全
考慮．建議采用定向鉆穿越直接更換該段管道。
參考文獻(xiàn)：
[1】王貴春．在穩(wěn)定流中海洋管道的漩渦激發(fā)振動(dòng)[D]．天津：天津大
學(xué)．1987．
[21 DNV—OS—F101(2000)，Submarine Pipeline Systems[S]．
作者簡(jiǎn)介： 丁 鵬(1980一)， 男， 山東平度人，2008年畢
業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)，獲工學(xué)博士學(xué)位，主要從事管
道及儲(chǔ)罐方面的研究工作。
收稿日期：2011-01—11

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