天然气弯管屈曲变形模拟研究

卓海森

(国家管网集团(福建)应急维修有限责任公司，福建莆田 351100)

0 引言

埋地管道在受到地层的沉陷、移动以及周边环境变化等因素产生的载荷作用时，会发生压缩屈曲失稳或拉伸失效[1-2]。一般情况下，管道局部屈曲更易发生。局部屈曲主要由外压、内压、轴向力和弯矩的综合作用所致。此外，仅有外压作用时，管道甚至会发生压溃现象[3]。管道屈曲会破坏油气管道完整性，对管道安全产生严重影响。研究管道在外部载荷作用下的屈曲行为对保护管道安全具有重要的工程价值。

金浏等[2]研究了场地沉陷作用对埋地管道的屈曲模态，得到了沉陷长度、管道埋深、管径、壁厚及场地条件等对管道屈曲反应的影响规律。朱庆杰等[4]研究了场地条件和断层参数对埋地管道破坏行为的影响；全恺等[5]开展了输气管道在走滑断层作用下的屈曲响应研究，分析了断层错动量、径厚比、内压、不同钢级材料等参数的影响。高惠瑛等[6]提出了场地沉陷作用下埋地管道反应的分析方法。王鹏等[7]通过有限元分析，研究了内压和侧压作用对管道屈曲变形模式的影响。Kyriakides等[8]研究表明，当管道径厚比大于26时，易发生壳型屈曲。现有研究主要集中于管道均匀屈曲变形方面，局部非均匀屈曲变形的研究较少。在外荷载作用下，地形、埋设深度、压力波动、管道几何参数等因素均对埋地管道屈曲失效产生影响，其屈曲变形模态较复杂。

1 宏观检测与理化分析

2019年，福建某天然气管道在进行内检测时发现，该管线水平弯管发生变形。开挖后发现该弯管因变形而导致外弧侧1:00至5:00之间发生屈曲，实测变形后弯曲角度为26.1°。变形管道规格为Φ406.4×7.9 mm，管道为L415MB无缝钢管。对变形钢管进行了宏观检测与理化性能分析。

首先，采用直尺对管段轴向尺寸进行测量,得知送样管段长约3.4 m，其中弯管长约3.2 m，对接直管长250 mm，弯曲角27.6°，比原始角减小49.8%。该角度大于现场的实测值，原因在于现场测量时变形弯管连接于管线中，受到管线约束应力，切割后应力释放，变形量发生变化。屈曲位于外弧侧，上游气割断口位于对接直管上，下游气割断口位于环焊缝处，防腐层完全脱落；内弧侧防腐层局部脱落(轴向长度1.8 m)，其他未完全脱落的防腐层存在环向裂纹。

其次，对送样管段的圆度进行测量发现弯管变形后直径和圆度出现了不均匀现象，其中屈曲处和下游变形较大，屈曲上游变形较小。采用游标卡尺对屈曲高度和宽度进行了测量，发现屈曲环向分布于外弧侧1:00至5:00，最大高度位于3:00，高约28 mm；屈曲轴向宽度60～80 mm。屈曲宽度沿环向从中间到两边逐渐增大，屈曲高度沿环向从中间到两边逐渐降低。采用PosiTector6000型超声波测厚仪对管段屈曲处壁厚进行测量后发现，屈曲处壁厚比未变形处明显增大。对送样管段环焊缝和屈曲部位进行磁粉和超声检测，均未发现裂纹缺陷。

最后，对送样弯管的直管段、环焊缝、弯管直段管体、外弧侧、内弧侧和屈曲部位分别取样进行化学成分、拉伸性能、夏比冲击性能、硬度及金相分析。结果表明：被检测钢管位置的理化性能均符合相应技术规范，仅外弧侧纵向拉伸性能初检不合格。

2 弯管屈曲变形的模拟计算

基于对送样钢管的宏观检测与理化分析结果，对钢管屈曲变形原因进行了初步排除。由于该管道在服役期间，其周边环境发生过较大变化，周边环境的变化产生的载荷可能对管道产生影响。因此，利用有限元软件模拟计算该钢管在不同载荷下的变形情况，以此分析导致钢管变形的原因。

2.1 钢管变形受载原因

屈曲弯管埋设位置处于工业园区内，周边环境变化包含工业园区建筑物、覆土、下游公路、车辆动载等，同时，调研发现该弯管处于地下水作用下形成的软基之中。屈曲弯管上游两侧建筑载荷对称挤压软基，使弯管上游直管段受到平衡的推力，相当于固支。在屈曲弯管下游，地面比较开阔，没有平衡载荷来源，根据弯管周边环境情况，确定了有限元模拟分析的4种载荷形式：轴向载荷；垂直轴向的水平面内载荷；竖直向下的载荷；水平面内转角。

2.2 有限元模型

采用ABAQUS软件建立55°热煨弯管有限元模型，弯管材料弹性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服极限取测试均值484 MPa。弯管内部施加设计压力7.5 MPa，弯管上游直管端面固支，下游直管端面分别加载4种载荷形式：下游段轴向位移；下游段垂直轴向载荷;下游段向外弧弯矩;下游段向外弧弯矩+轴向拉伸。

2.3 不同载荷形式下弯管变形分析

2.3.1 下游直管受轴向载荷

固定弯管上游直管端面，下游直管端面施加0.5 m的轴向位移载荷，在7.5 MPa设计压力下模拟结果，弯管在沿轴向的拉伸及压缩位移载荷作用下未发生局部屈曲，与实际不符。

2.3.2 下游直管受垂直轴向载荷

固定上游直管端面，在弯管下游直管端面施加0.5 mm的位移载荷，载荷方向垂直于轴向由内弧侧向外弧侧，在7.5 MPa设计压力下模拟结果，弯管在垂直于轴向的位移载荷下未发生局部屈曲，与实际不符。

2.3.3 下游直管受弯矩载荷

固定上游直管端面，在弯管下游直管端面施加0.5弧度的弯矩载荷，载荷方向由内弧侧向外弧侧，在7.5 MPa设计压力下模拟结果，在弯矩载荷作用下，弯管外弧侧发生屈曲，但该屈曲为非对称结构，与实际不符。

2.3.4 下游直管受弯矩和轴向位移复合载荷

固定上游直管端面，在弯管下游直管端面施加0.5弧度的弯矩和0.1 m的轴向位移载荷，在7.5 MPa设计压力下模拟结果，弯管外弧侧2:00～5:00之间发生对称屈曲，与实际相符。

2.4 载荷数值估算

由2.3节有限元分析可知，弯矩+轴向载荷使得弯管发生相符变形，本节应用理论方法计算弯管屈曲载荷大小，并应用有限元模拟进行验证。

2.4.1 载荷理论计算

换管过程中，在屈曲弯管下游直管段距屈曲弯管中心约2 m处开挖下囊坑，发现该处直管发生弯曲，调研发现该处管段原为直管段。该处直管在水平面内发生垂直轴向的局部位移，导致弯管受到力矩作用，同时在关系约束作用下导致屈曲弯管中心与该下囊坑之间管段的轴向位移，这与2.3节有限元模拟的弯管屈曲失效载荷形式相符。

下游直管变形过程如图1所示，屈曲弯管原角度为55°，屈曲后角度变为27.6°，共向外弧侧偏移27.4°(0.5弧度)，根据三角形关系估算出弯管下游直管受拉伸的位移载荷为0.25 m。

图1 下游直管变形示意图

2.4.2 弯管屈曲位移有限元模拟验证

在有限元模型中，对弯管下游施加理论计算的位移载荷(向外弧侧偏移27.4°，轴向拉伸位移0.25 m)，模拟结果与实际屈曲照片对比如图2所示，模型出现与实际弯管位置、形状均相同的屈曲，进一步验证了理论计算的准确性。

图2 模拟结果与实际屈曲照片对比

2.4.3 变形数据对比

弯管屈曲处高度和宽度有限元计算数据和实测数据见表1。由表1可知，计算所得屈曲变形量与实测变形量接近。

表1 屈曲处计算数据与实测数据对比表

2.5 无内压情况下弯管变形计算

在无内压情况下，弯管发生屈曲的模拟结果，下游直管段首先屈曲失稳，随后弯管外弧侧出现屈曲，屈曲不断增大，最终形成不对称屈曲。这与实际弯管的屈曲模式不符，因此实际弯管未在无内压情况下发生屈曲。

3 综合分析

结合前期收集的资料以及有限元模拟结果，综合分析弯管发生屈曲的时间及屈曲的形成原因。

3.1 屈曲形成时间

公路铺设之后、工业园区建设之前进行的一次内检测中未发现屈曲，在工业园区建设之后(2019年)进行的一次内检测发现屈曲。在形成弯管屈曲的时间段内，主要的环境变化是工业园区的建设，屈曲应是在工业园区建设过程中逐步形成。

3.2 屈曲形成原因

研究案例中弯管发生失效的可能影响因素有：管段材料性能、管道运行工况变化、下游公路的影响、工业园区建筑施工影响以及弯管附近由于地下水造成的软基因素。首先，由于弯管本体、环焊缝及直管段理化性能检验结果均满足相关标准要求，管段材料性能未发现异常。因此，弯管发生屈曲不会是钢管理化性能改变引起。其次，无内压条件下的有限元模拟结果表明，停输情况下发生的屈曲是不对称屈曲，说明管道运行工况变化不是弯管发生屈曲的主要原因。最后，通过公路建成之后进行的一次内检测未发现屈曲的证据表明，车辆动载对下游管道产生的垂直向下载荷不会造成弯管的实际屈曲，公路建设和车辆动载不是弯管发生屈曲的主要原因。

通过以上分析可知，屈曲应是在工业园区建设过程中逐步形成的。分析屈曲弯管周边建筑活动情况可知，建筑施工等载荷挤压软基向周围移动，下游管段与2号楼距离最近，受软基移动的影响向远离2号楼方向偏移，在管系约束情况下，使弯管受到弯矩及轴向载荷，该载荷形式与模拟结果相符，因此，2号楼的建设造成弯管屈曲可能性最大。

3.3 环焊缝应力分析

环焊缝作为管道的薄弱环节，是最容易发生失效的部位，但在本实例中，与弯管对接的环焊缝未发生失效，为了分析其原因，在有限元模拟中对比了屈曲形成过程中环焊缝及弯管屈曲部位的应力状态。

经过屈曲部位和环焊缝部位的应力历程对比，在受力变形过程中，屈曲部位出现应力集中，最终应力超过屈服强度，发生屈曲，随着变形的增加，管道应力大多集中在弯管屈曲部位，而环焊缝部位应力水平较低，不会发生失效。

4 结论

(1)有限元模拟结果表明，在有内压情况下，单一轴向位移载荷、垂直于轴向位移载荷、弯矩载荷条件下弯管变形均与实际不符，弯矩和轴向载荷耦合作用下，弯管屈曲与实际相符。

(2)通过理论计算获得了弯管下游直管位移和弯矩，弯管在此位移条件下的屈区变形量模拟结果与实际接近，表明模拟计算结果可以有效反映弯管的变形情况。

(3)无内压情况下弯管变形模拟结果与实际弯管的屈曲形式不符，证明弯管未在无内压情况下发生屈曲。