埋地热油管道弯管的热应力分析
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摘 要：在压力载荷与温度载荷的双重作用下，埋地热油管道极易发生爆管、泄漏等安全事故，在弯管处尤为突出。基于热-力耦合分析系统，对弯管的热应力进行仿真分析，通过改变内压载荷、介质温度及管外土壤环境来分析热应力的变化规律。结果表明：管道弯管热应力主要集中在外侧大弧面区;随着管道内压的增加，弯管的热应力及变形呈线性增长，增长系数分别为0.019和0.02%;随着管道内油流温度升高，弯管热应力与变形逐渐增大且热应力增加的幅度较大;随管外土壤温度升高，弯管热应力与变形均增加，但变形较为明显。
关 键 词：埋地热油管道;弯管;热-力耦合;热应力;变形位移
中图分类号：TE 973 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）08-1711-05
Abstract： Under the dual effect of pressure load and temperature load， buried hot oil pipelines are prone to safety accidents such as tube explosion and leakage， which are particularly prominent at the bends. Based on the thermo-mechanical coupling analysis system， the thermal stress of the bent pipe was simulated and analyzed， and the change law of thermal stress was analyzed by changing the internal pressure load， medium temperature and soil environment outside the pipe. The results showed that the thermal stress of the pipe bend was mainly concentrated on the outer large arc surface area; as the internal pressure of the pipe increased， the thermal stress and deformation of the bend increased linearly， and the growth coefficients were 0.019 and 0.02%， respectively; As the temperature of the flow increased， the thermal stress and deformation of the bent pipe gradually increased， and the increase magnitude of the thermal stress was bigger; as the temperature of the soil outside the pipe increased， both the thermal stress and deformation of the bent pipe increased， but the deformation was more obvious.
Key words： Buried hot oil pipeline; Elbow; Thermal-mechanical coupling; Thermal stress; Deformation displacement
据统计，2018年下半年国内外地下油气管道失效事故共313起，其中国内298起[1]。通过调查，国内管道事故发生的原因主要涉及8个方面，其中因管道泄漏导致的事故占42.6%[2]，导致管道泄漏的直接原因是外力破坏和自身强度失效[3]。
国内外研究发现，管道热应力是导致埋地管道失效的重要原因之一。Afshan S与Pettinger A[4]运用有限元模型对热油乳状液管道表面的温度变化规律进行了研究，得到了应力分布函数;国内学者黄有用等[5]针对加氢裂化管道应力分布及载荷变化运用有限元软件进行了模拟，验证了管道设计的技术可行性;孙颖等[6]人基于有限元理论建立了空间模型，对输气管道的热应力进行了计算，并就其影响因素进行了详细分析;王志刚等[7]通过分析埋地管道出、入站转角处应力的分布规律，提出了降低热应力损害的解决策略;王梦珠[8]针对天然气输送管道，建立了泄漏扩散模型，对介质扩散特性及管道应力分布进行了理论分析。
通过研究国内外现状可知，目前对于管道的应力分析主要集中于常温管道且研究对象大部分为管道整体，而对于弯管等流场复杂转变区的热应力研究少有涉及。基于此，以埋地热油管道90°弯管为研究对象，首先运用热-力耦合系统对管道弯管处的热应力、变形变化趋势及分布规律进行研究;其次通过改变内压载荷、介质温度及管外土壤环境来分析热应力的变化规律。
1 数学模型
1.1 传热控制方程
2 物理模型
2.1 模型尺寸
埋地热油管道弯管的管内径370 mm，管壁厚7 mm，保溫层厚度35 mm;重力加速度g取9.81 m·s-2，方向垂直管道向下。模型示意图如图1所示。
2.2 网格划分
采用Sweep方法进行网格划分，曲率变化梯度较大区域进行网格加密。定义管道外表面与保温层内表面为耦合数据传递源[12]。为提高计算求解速度，对几何模型进行对称处理，网格划分如图2所示。 3 计算结果及分析
3.1 热应力分析
建立热-力耦合分析系统，运用间接法求解耦合应力。耦合分析系统分两阶段完成，首先运用Steady-State Thermal进行稳态热分析，再将求得的温度场作为温度载荷加载到Static Structural分析系统进行耦合求解，最终求得弯管耦合应力及变形情况。热-力耦合条件下的求解结果见图3和图4。
由图3可知，热-力耦合作用下弯管弯曲角外侧壁面变形位移最大，为0.471 3 mm;变形区域越过弯管中性层向内侧拓展，因此弯管内侧变形位移仅次于外侧;弯管两端设置固定约束，因此变形较小;弯管总变形在许用变形量范围内，可忽略不计。
图4为耦合作用下弯管等效应力分布云图，其中（a）为整体分布云图，（b）为圆周局部放大云图。由整体分布云图可知，等效应力沿流体流动方向先增大后减小;由局部放大云图可知，等效应力沿径向（外-内）逐渐增大且呈层状分布，等效应力最大值为137.69 MPa。
3.2 管道内介质温度对热应力的影响
原油经加热后沿管道流动，热量以流体为媒介向外传热，使管道同时承载内压载荷与温度载荷。因此，管内流体温度是影响弯管应力波动的另一重要因素。为研究管内流体温度变化对弯管应力及变形的影响，选取输送温度30～80 ℃作为研究区间（基于本文实际案例，原油凝固点为25 ℃，最高输送温度为80 ℃），绘制弯管变形位移与等效应力随管内温度变化曲线，如图5所示。
由图5可知，随原油温度的增加，弯管变形位移与等效应力皆呈线性增加趋势。原油温度每升高1 ℃，弯管变形位移平均增加0.017 mm，增加幅度为1.9%;等效应力平均增加2.2 MPa，增加幅度为2.0%。
3.3 管道内压力对热应力的影响
管內压力的改变直接影响应力的变化，为研究管道内压载荷对弯管等效应力及变形位移的影响，恒定其他操作条件，设置油流温度为47.6 ℃，操作压力介于3～8 MPa，仿真结果见图6。
由图6可知，弯管变形位移与等效应力随内压增加而增大，且呈线性正相关;内压载荷每增加0.1 MPa，变形位移增加0.005 mm，等效应力增加3 MPa。由此可见，等效应力受内压载荷的影响较为敏感。
3.4 埋地深度对热应力的影响
根据土壤自然温度场模型，可推导出温度随地下深度变化的计算公式[13-14]。研究表明，温度场与埋地深度密切相关，地表以下20 m范围内为温度年变化带，此带温度变化受季节性影响，工程设计管道埋地深度为2.5 m。因此，通过收集2011-2018年某地区月平均气温，将该温度作为模拟控制温度，即-25～22 ℃。针对不同土壤温度的埋地热油管道弯管进行仿真模拟，结果如图7所示。
由图7可知，弯管等效应力及变形位移与土壤温度呈正比例变化。土壤温度每升高1 ℃，弯管变形位移增加0.013 mm，等效应力增加2.27 MPa。随着四季温度的周期性变化，管道热胀冷缩，长时间积累使得管道使用寿命大大缩短。因此，如何解决因土壤温度周期变化所带来的不利影响，是一个有待于解决的问题。
4 结 论
运用热-力耦合分析系统对埋地热油管道弯管进行了仿真模拟研究并得到以下结论：
1）埋地热油管道弯管等效应力主要集中在弯管外侧区域，沿中性层呈“椭圆形”对称分布。
2）埋地热油管道弯管随内压的增加，等效应力及总体变形位移皆增加，但等效应力受内压载荷影响较为敏感。
3）埋地热油管道弯管随着管道内油流温度升高，弯管热应力与变形逐渐增大，且热应力增加的幅度较大。
4）埋地热油管道弯管随管道外侧土壤温度的增加，埋地管道弯管等效应力及变形位移逐渐增大;土壤温度每升高1 ℃，弯管变形位移增加0.013 mm，等效应力增加2.27 MPa。
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