LNG接收站地基沉降对管道应力的影响分析

翟博 张晨

摘 要：本文通过LNG（Liquefied Natural Gas）接收站工程实例，从技术和安全评价的角度出发，分析了项目长时间投产运行阶段应对地基沉降的整体解决方案;同时结合站内的调研情况，搭建了全场主要管道的实体模型，完成应力分析计算;最后提出管道应变应力的推荐检测方案，阐述了沉降发生后的综合处理措施。

关键词：LNG接收站;管廊架;应力分析;地基沉降;监测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.062

1 研究目的及意义

铺设在土质（或砂质）较软地基上的管廊架及管道可能会因所在区域的不均匀沉降而发生变形，沉降带来的后果是急剧增大相邻管道支架的承载力，同时管道本身所受到的应力也随之增大[1]。由于石油天然气管道行业的特殊性和危险性，特别是存在运输易燃易爆物质的管道，当连接端口或特定区域的应变和应力超过了规定的受力范围时，就会导致管道产生裂缝、损伤、变形、扭曲或倾斜，进而诱发严重的安全事故[2]。

本文研究的主要目的是从安全评价的角度出发，针对LNG接收站站内主要的低温管线和常温的天然气管线，开展地基沉降前后的应力分析研究，通过计算其应力变化规律，再结合现场实际情况，提出管道应变应力的监测方法。同时，以某工程项目为例，依据收集到的现场实测数据，核算管道支吊架在不同沉降条件下的受力情况。最后，总结项目现场应对地基沉降的检测和处理方案，为进一步研究管道的受力特性提供理论依据和技术支持。

2 设计阶段对管道沉降问题的考虑

2.1 土建及钢结构

（1）陆域形成的地基处理。当前国内的LNG接收站已建或在建的已多达十余座，但多涉及到陆域形成，在填海造陆的过程中，一般情况下都采用软土回填，鉴于软土地基的特性，项目建设过程中如果不进行加强地基处理或采用有效的基础管理形式，土体本身连带上部结构均可能产生较大范围的沉降，如果沉降程度较大，将不能满足上部结构的荷载要求[3]。

对于管廊架和管线结构件下方的地基，施工完成后必须通知质量验收标准，具体要求为处理后的地基承载力标准值≥80kPa，压缩模量≥5MPa，同时质量要求处理土层以下的地基承载力不得大幅度突然降低。一般条件下，行业内建议填海形成的区域，应该让土地自然沉降一段时间（大于半年）后再进行项目施工。

（2）管道桩基础的设计。LNG接收站内的管道一般铺设在管廊架上，而管廊架承载在桩基础之上，坐地式的管道，下方一般会设置管墩，是否采用桩基础视具体情况而定[4]。桩基础可以直接、有效、完整的将上部荷载力（管道+管廊架等）传递到土层和持力层。

如果在项目初期陆域形成时，地基处理措施不到位，自然沉降时间不够长，那么很可能在项目建设期或项目长期运营期间，现场出现较大幅度的不均匀沉降，假定在上述情况下，管廊架桩基础的设计（或管墩），必须充分考虑增大桩长或桩径，以避免上述不利因素对管道带来的影响[5]。

2.2 管道应力分析基础

（1）参照的规范。一般条件下，各LNG接收站项目管道柔性分析均参照国际通用规范ASEM B31.1中对应力和应变的规定和最大应力范围要求。

（2）管道垂向支撑的位移考虑。

根据国内标准规范HGT 20670-2000《化工、石油化工管架、管墩设计规定》，管架基础可不作地基变形计算，但当大型且顶层支撑重型设备的管廊位于软弱地基时，宜作地基变形计算，同时应控制相邻柱基沉降差不大于0.003L（L代表相邻柱基的中心距）。

3 LNG接收站现场沉降情况简述

某接收站当前已经发现较为明显存在管廊架及管道区域土壤的沉降情况。该站管廊架及管道区域同时存在不均匀沉降和均匀沉降二种形式，部门区域沉降量已经到达10-20cm，未打桩基础的管廊架沉降更为严重，已经发现个别管道出现了扭曲变形。

主管廊架和管道的地基已经发生沉降，设计的地面高度应该高于图中黑色涂漆区域，经测量该区域的地面沉降值约为25cm，管廊架的沉降值无法直接测量。翻阅该站土建及结构专业的部分资料，可以得知该接收站全厂的主管廊架地基均采用地下打桩的形式，桩基础的深度为20m，从设计角度讲已经为管廊架区域地基做了很好的保护。

4 管道的应力分析研究

4.1 管道应力分析基础

为了更加详尽的阐述管道支架和管廊架沉降对于管道应力的影响，对管道应力计算所需考虑的因素进行全面整理，通过软件建模和试算的方式比较沉降前后的应力值。

4.1.1 管道应力分析考虑的工况

管道应力分析中需要考虑管道运营全周期可能经受的全部载荷影响，确保管道在任何载荷下都满足ASME B31.1中对应力计算的最大值要求。故此管道应力在分析中需要考虑大5类型的工况，主要包括：1）水压试验工况、2）操作工况、3）一次应力（冷载荷）、4）偶然载荷工况、5）二次应力（膨脹）工况。本次应力分析以中海油某LNG接收站为例，实际工况选择内容如下：

水压试验工况（HYD）：

水压试验工况模拟管道水压试压情况下管道的承载能力，同时叠加设计压力的影响，考虑1种工况：

WW+HP+H;

操作工况（OPE）：

操作工况模拟不同管道可能的操作条件，包含温度、位移、风和地震的影响，考虑10种工况：

（1）W+D1+T1+P1+H;（2）W+D1+T2+P1+H;（3）W+D1+T3+P1+H;（4）W+D2+T1+P1+H;（5）W+D3+T1+P1+H;（6）W+T1+P1+H; （7）W+D1+T1+P1+H+WIN1; （8）W+D1+T1+P1+H+WIN2;（9）W+D1+T1+P1+H+U1+U2;（10）W+D1+T1+P1+H+U2+U3。

一次应力工况（SUS） ：

一次应力工况分析管道在安装条件下的载荷，只考虑1种工况：

（1）W+P1+H;

偶然应力工况（OCC）：

偶然应力工况分析管道单独受到地震载荷或是风载荷条件以及这种载荷和一次应力载荷的叠加，考虑8种工况：

（1）WIN1;（2）WIN2; （3）U1+U2;（4）U2+U3; （5）W+P1+H +WIN1; （6）W+P1+H +WIN2; （7）W+P1+H +U1+U2; （8）W+P1+H +U2+U3;

二次应力工况（EXP）：

二次应力工况分析管道延程存在的温度差对管道的影响，考虑7种工况：

（1）D1+T1;（2）D1+T2;（3）D1+T3;（4）D2+T1;（5）D3+T1;（6）T1;（7）T2-T3。

对上述工况中的缩略语的含义解释，如下表所示：

4.2 模型的建立

由于单个管道的管径不同，在管道支架跨距选取过程中将存在区别，大口径管道（如46寸）刚度强，柔性差，因此为了经济，在设计中管道支吊架的跨度较远， 46寸的薄壁管道最大跨度选定为12.51m，而对于小管径管道（如10寸）薄壁管道的最大跨度选定为9.33m。

地基的不均匀沉降对不同管径的管道影响也不同，可以认为对于刚度较大的管道，当发生差异沉降时相当于增大管道的跨度;对于刚性较小的管道，由于管道柔性大而易变形，变形后会得到管道支吊架的支撑，不会造成悬空或拉脱的情况，相对影响较小。结合站内主要管径管道的分布特点，重点选择分析铺设在管廊架上的46寸管径的管道作为建模基础条件，分析计算不均匀沉降对其应力的影响。

根据管道尺寸、厚度及柔性参数，搭建管道应力模型分析，如图3：

4.3 不同沉降条件的影响

按照建设方提供的基础数据，设计单位在计算管道应力时一般都满足规范要求，为了分析地基沉降对管道应力的影响，该计算假定一段160m的管道可能发生的不均匀沉降的极端情况，管廊架中点处沉降位移量最大，管廊架整体呈现出“V”字形。相邻支架位移量按照0.003L的距离进行计算，相关数据如下表：

按照桩基础规范的标准，桩基础在规定允许范围内的沉降必然会对管道应力造成影响。综合上述分析及模型搭建的计算结果，某接收站管道的应力设计比较保守，在不均匀沉降达到240mm条件下，该管道的应力值占许用应力值的比例较低，相对而言存在较大的安全余量，不构成对管道的实体破坏。

5 沉降发生后的补救措施

根据标准规范HGT 20670-2000《化工、石油化工管架、管墩设计规定》，管架基础在设计过程中可不作地基变形计算，但是对于软地基或支撑重型设备的管廊，必须考虑一定量的地基沉降值。实际项目已经遇到了地基不均匀沉降的情况，下面将分情况讨论，如何应对不同程度的地基沉降及推荐工程项目采用的补救措施，具体内容如下。

5.1 沉降初期的处理措施

对于已经投产运营的LNG接收站项目，站内管道及管廊架长期受到风载、雪载、重力等环境因素的影响，加上陆域形成时间短，其所在区域的地基或多或少会发生沉降。在沉降初期，此时沉降量在一定范围内（不大于0.003L，L为相邻柱基的中心距离）且沉降速率相当稳定，建议采用以下方案进行现场修复：

（1）首先制定沉降监测方案，对现场的沉降值进行系统性数据测量与统计，明确管廊架沉降的位置，定期完成沉降数据的整理与分

析。

（2）对管道重新进行应力分析计算校核，结合原有的配管详细设计文件（含ISO图），同时以现场实际情况为准，建立管道三维模型。综合考虑管道尺寸、材质、管廊架设计、介质、保温（保冷）、沉降值等边界数据条件。

（3）对比原设计值与发生沉降后的管道受力情况，假如沉降已经对管道产生影响，并对生产运营构成安全隐患（但沉降值在可控范围内），此时可采用在管廊架与管道之间设置钢板垫厚的处理方案。

（4）另外，根据现场实际情况，如果钢板垫厚的方案不容易操作或效果有限，那么可以考虑将原有管托加高、更换管托类型等补救措施。

5.2 沉降量过大的处理措施

大部分LNG接收站的场地是由填海造陆而成，在项目长时间运行的过程中，地基发生沉降的风险很高，从已获取的统计结果来看，LNG接收站项目管廊架沉降量都小于规范要求。

假定管廊架沉降量过大，且无法依靠上述沉降初期的方案解决问题，那么就需要考虑从土建施工的角度提出应对措施，具体描述如下：

（1）当沉降量过大，但是已形成稳定沉降时，可以考虑钢板垫厚、管托加高、更换管托、设置地面支架（如有地面已硬化）等方案综合使用。

（2）当沉降量过大，并且沉降未达到稳定状态时，为了保障项目的生产安全运营，建议基于应力应变分析，在沉降量较大的局部区域，替换管廊架，并对原有的桩基础进行加长、加密处理。

6 结语

不同类型、尺寸、材质、保温（保冷）状态的管道都有不同的变形监测方式和处理方法，对某一项目具体的管道而言，流程完整的管线应变和应力分析计算，首先要收集该项目的基础存档资料和设计文件，包括港工、土建、结构、工艺、配管等专业的具体内容，从根本上了解该管道的参数设置。

其次，需要对目标管道所处的外在环境条件进行统计分析，建立全厂高风险区或重点区域的灾害类型分析数据库，将高风险区域纳入专题管理，并尽可能开展爆炸风险模拟，结合项目的运营情况，长期或定期开展管道应变应力分析工作，提出应对沉降的整体解决方案。

通过对某LNG接收站突然沉降区域的整体分析与计算，目标管道最初的设计值还是比较保守的，存在較大的安全余量，沉降发生后管道应力值占许用应力值的比例较低，初期不会发生管道受损的情况。但是如果沉降值过大，会发生管道局部受力急剧升高的情况，大尺寸管道尤为明显，建议现场定期监测，如发现沉降值超标，应立即启动管线应变应力的分析计算及校核工作，为天然气管道的安全运营保驾护航。

参考文献：

[1]赵忠刚，姚安林，赵学芬.油气管道风险分析的质量评价研究[J]. 安全与环境学报，2005，5（05）：20-24.

[2]王明春.油气输送管道应力分析及应变设计研究[D].西南石油学院，2006.

[3]张土乔，李洵，吴小刚.地基差异沉降时管道的纵向力学性状分析[J].中国农村水利水电，2003，7（07）：67-71.

[4]单彤文.LNG储罐研究进展及未来发展趋势[J].中国海上油气，2018（04）：146-148.

[5]贾晚寅，吕伟延.管道基础施工在不良地质条件下的处理[J]. 城市道桥与防洪，2002（02）：87-89.