悬空管道受力分析

第33卷第4期2016年12月河北工程大学学报（自然科学版）Journal of Hebei University of Engineering (Natural Science Edition)Vol.33 No. 4Dec. 2016文章编号：1673 -9469(2016)04-0056-05d oi：10. 3969/j. issn. 1673 -9469.2016. 04. 013水中悬浮管道的结构形式及受力特征分析卢召红1，高珊珊1，于慧敏2，计静1，闫亮1，刘迎春1(1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆163318;2.中国石油大庆石化公司，黑龙江大庆163714)摘要:针对水中悬浮管道，提出其建造方式，并给出计算模型和计算方法。

利用Morison公式计 算作用在管体上的波浪荷载，计算分析管道在波浪力和水流力作用下的内力。

借助ANSYS软 件建立水中悬浮管道的有限元计算模型，运用Airy线性波浪理论计算水质点的速度和加速度，在此方法上计算管体的荷载和内力，与公式计算结果进行对比分析。

结果表明，两者计算结果 基本吻合，其误差在2%范围之内。

关键词：水中悬浮管道；内力；波浪力；Morison公式中图分类号:TE973 文献标识码:AAnalysis of structure and mechanical characteristicof submerged floating pipelineLU Zhaohong1，GA0 Shanshan1，YU Huimin2，JI Jing1，YAN Liang1，LIU Yingchun1(1. School of Civil Engineering and Architecture，Daqing Petroleum Institute, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. China Petroleum Daqing Petrochemical Co, Heilongjiang Daqing 163714, China)Abstract：The construction method of submerged floating pipeline was proposed and its the calculation model and calculation method were given. The wave loads on the tube were calculated by the Morison formula, and the internal force of the pipeline under the action of wave force and flow force was calcu­lated and analyzed. With the aid of ANSYS software, the finite element calculation model of the sub­merged floating pipeline was established. The speed and acceleration of water quality point were cal­culated by using Airy linear wave theory, the load and internal force on the pipeline were calculated.Comparative results show that the calculation results are basically consistent, and the deviations are within the controllable range, which can provide reference for the subsequent research and applica­tion.Key words ：Submerged floating pipeline;internal force; wave force; Morison formula油气输送管道在遇到江海湖泊时，其穿越方 式多采用水底管道或水上架空等方式。

管道受力分析管道受力分析目录：一、管道发展历史1、发展2、著名管道系统二、提出问题三、管道受力研究1、管道2、弯头3、三通四、小组分工五、总结六、参考文献管道受力分析关键字：管道受力一、管道发展历史管道是用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。

管道的用途很广泛，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。

管道作为物料输送的一种特殊设备在现代化工业生产和人民生活中起着很重要的作用，它就像人体中的血管一样，没有它，人的生命就不复存在。

1、“油气集输和储运”技术随着油气的开发应运而生。

早在我国汉代，蜀中人民就采用当地盛产的竹子为原料，去节打通，外用麻布缠绕涂以桐油，连接成“笕”，就是我们现在铺设的输气管线。

最早的一条原油输送管道，是美国于1865年10月在宾夕法尼亚州修建的一条管径50毫米长9756米从油田输送原油到火车站的管道，从此开始了管道输油工业。

但油气管道运输是从1928年电弧焊技术问世，以及无缝钢管的应用而得到发展和初具规模的。

管道输送技术的第一次飞跃是在第二次世界大战期间。

第二次世界大战以后，管道运输有了较大的发展。

2、目前世界上比较著名的大型输油管道系统有：（1）前苏联的“友谊”输油管道。

它是世界上距离最长、管径最大的原油管道，其北、南线长度分别为4412千米和5500千米，管径为426~1220毫米，年输原油量超过1亿吨，管道工作压力4.9~6.28兆帕。

（2）美国阿拉斯加原油管道。

其全长1287千米，管径1220毫米，工作压力8.23兆帕，设计输油能力1 亿吨／年。

（3）沙特阿拉伯的东-西原油管道。

其管径1220毫米，全长1202千米，工作压力5.88兆帕，输油能力1.37亿立方米／年。

（4）美国科洛尼尔成品油管道系统。

该管道系统干线管径为750~1020毫米，总长4613千米，干线与支线总长8413千米，有10个供油点和281个出油点，主要输送汽油、柴油、燃料油等100多个品级和牌号的油品。

海底悬空管道的动力学分析王朝晖张宏（北京石油大学机电工程学院 102200）1 引言海上开发出来的油气大多是通过海底管道的形式进行输送的。

近海海底管道浅埋在海床的泥沙里，由于受海流的冲刷作用，有可能裸露出来，形成悬空管段。

悬空管段在各种海洋动力因素的影响下会出现随机振动，长期的振动影响会缩短管线的使用寿命，影响正常的油田生产。

目前，对于海底水平悬空管道的动力学研究还有很多不足；主要体现在有限元计算模型的建立上，即如何正确地模拟悬空管道结构及其边界条件。

本文尝试建立海底水平悬空管道的三维有限元计算模型，用Kelvin和Maxwell粘弹性模型近似模拟海底土壤对于管道的边界效应，并用该模型做了动力学模态分析和响应计算，且进一步提出了悬空海底管道的寿命预测模型，为今后对海底悬空管道的强度分析和寿命预测提供了新的参考方法。

2 海底管道有限元模型的建立2.1 问题的描述从我们得到的埕岛油田悬空管道的实际情况如下：管道为内外双层钢结构，内层为输油管，外层为保护管，两层钢管材质均为16Mn钢，在两层钢管的夹层中为“黄甲克”保温层。

从现场勘测来看，有两种悬空情况：1. 管道上岸水平悬空，管道登陆一端固定于岸基，另一端掩埋于近岸海底淤泥中。

2. 管道上平台水平悬空，管道一端固定于平台上，另一端掩埋于平台附近海底淤泥中。

3. 悬空管道的两端均掩埋于近岸海底淤泥中。

图1 管道上岸与上平台的悬空情况图2 悬空管道的两端均掩埋于近岸海底淤泥中4. 具体材料属性数据如下：1）内管：杨氏弹性模量：211/101.2m N ×泊松比：3.0管材密度（钢材密度加原油折算密度）：124083/4.m kg 温层：杨氏弹性模量：29/10181.3m N ×泊松比：035.保温层密度：603/m kg 外管：杨氏弹性模量： 211/101.2m N ×泊松比：3.0管材密度（钢材密度）：7850 3/m kg 2.2 水平悬空管道分析中的几个假设1.水平悬空管道始终是线弹性的。

深水多跨海底悬空管道的疲劳分析引言在深水条件下，跨海底悬空管道是一种常见的输送能源和资源的方式。

然而，由于长期受到海流、地震和波浪等外力的作用，管道会产生疲劳破坏，导致安全隐患。

因此，对深水多跨海底悬空管道的疲劳特性进行分析和评估是非常重要的。

本文将从气候环境、管道特性和应力状态三个方面对深水多跨海底悬空管道的疲劳进行分析。

一、气候环境深水多跨海底悬空管道所处的气候环境对其疲劳破坏起着重要的影响。

海流是最主要的外力之一，其大小和方位会直接影响管道的应力状态。

而波浪则会给管道带来周期性的外荷载。

此外，地震也是一个重要的因素，地震震级和频率将对管道产生冲击力。

因此，需要通过海洋气象台和地震站的数据来预测海流、波浪和地震等气候环境，并进行疲劳分析。

二、管道特性深水多跨海底悬空管道的材料、尺寸和几何形状等特性都会对其疲劳性能产生重要影响。

材料的强度和韧性是其抵御外力破坏的重要指标。

另外，管道的直径、壁厚和跨度等几何参数将直接影响应力分布和疲劳寿命。

因此，在进行疲劳分析之前，需要对管道的特性进行详细研究，包括材料强度测试、几何形状的测量和管道的实际使用情况等。

三、应力状态深水多跨海底悬空管道的应力状态也是影响其疲劳性能的重要因素。

外力作用可使管道产生弯曲、拉伸和剪切等应力。

此外，管道的自重也会对其应力状态产生影响。

因此，需要通过数值模拟或实验方法来确定管道在不同工况下的应力状态，并计算出应力集中区域，以进行疲劳分析。

四、疲劳分析方法深水多跨海底悬空管道的疲劳分析通常采用线性疲劳损伤累积模型。

在此模型中，根据疲劳曲线和加载历史，计算出管道的剩余寿命和疲劳损伤值。

通过对不同剩余寿命下的应力状态进行分析，可确定应力水平对疲劳损伤的影响。

此外，还需考虑循环载荷和静载荷等因素，以更准确地评估疲劳裂纹的扩展和管道的寿命。

结论深水多跨海底悬空管道的疲劳分析是评估其安全性和可靠性的重要手段。

通过对气候环境、管道特性和应力状态的研究，可以更准确地预测管道的疲劳破坏风险，并采取相应的修复和保养措施。

埋地悬空管道的应力分析及计算冉龙飞;高文浩;吴栋【摘要】The buried pipelines are threatened from various potential geological disasters, which may lead to earth collapse and soil loss under pipeline, thus to make the pipeline at suspended state, result in pipeline failure, bring the hidden safety problem into pipeline operation and causing severe economic losses and personnel casualty. In this article, based on Winkler linear theory, establishing mechanical model of pipe-soil interaction, using ABAQUS FEA software to achieve the stress distribution on suspended pipeline, obtained the pipeline suspended length in case of reaching yield stage. The calculation results indicated that this kind of pipeline is close to yield stage when the suspended pipeline length up to 160 m.%埋地管道由于受到各种潜在地质灾害的威胁，可能导致管道下方土层塌陷或流失，使管道处于悬空状态，引起管道失效，给管道运行带来安全隐患，并伴随带来严重的经济损失和人员伤亡。

基于LS—DYNA海底悬空管道动力响应分析作者：董文乙来源：《中国水运》2014年第06期摘要：基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件，引入非线性弹簧模拟管土接触，采用非线性动力有限元法，对坠物撞击海底管道的过程进行数值仿真。

根据计算结果，分析了撞击速度、落物质量对管道塑性变形及动力响应幅值的影响。

关键词：悬空管道碰撞凹陷变形动力响应海底管道服役期间，会受到坠落物体的碰撞，使管道损伤破坏，对于海底悬空管道还会引起悬跨段在垂直方向上的振动。

分析此类碰撞问题，不仅要考虑物体与管道接触，还要考虑管土之间的相互作用，是一个高度非线性问题。

现有的DNV规范规定了海底管道受到拖网鱼具或外来物体冲击后的变形限制条件，给出了允许的最大永久变形的深度与管道外径的关系式，但规范未考虑海床、坠落物等对能量的吸收情况，忽略碰撞过程中各种非线性因素对于碰撞分析的影响。

Wierzbicki等人给出了考虑钢管初始轴向应力影响下，损伤深度与管道吸收能量的计算公式，同时给出了不考虑剪切力条件下撞击力的计算公式。

杨秀娟[4，5]采用三维非线性有限元法模拟了海底管道受到坠物冲击碰撞的过程，分析了坠物形状、碰撞角度、摩擦效应、混凝土厚度以及管道内压对撞击的影响。

对于海底管道碰撞损伤变形的数值模拟常采用有限元分析软件进行数值模拟。

本文借助非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA来模拟海底悬空管道受锚击的动态响应过程，分析海底管道悬跨段受坠物撞击部位的塑性变形及悬跨管段的动力响应，同时讨论撞击速度、落物质量对管道塑性变形及动力响应幅值的影响。

海底悬空管道物理模型1、模型参数管道模型的参数设计参考海底管道工程设计参数，海底管道直径0.508m，壁厚0.0127 m。

由于海流冲刷，海底管道出现悬空段，考虑管道与土的相互作用悬空段两端管土耦合边界取60倍的管径，管道材料为X 65，材料属性如表1。

由于坠落物体形状不一，将坠落物简化为具有一定质量和初始速度的实心球体，半径取0.312m，将附加水质量以密度的形式加到坠落物体上。

悬空管道受力模型的分析与计算摘要：在地质灾害作用下，管道下方的土层下陷或流失会造成管道悬空，从而可能引发管道失效。

针对地质灾害导致的管道悬垂现象，结合工程实际及现有分析计算模型，以兰成渝石亭江悬垂管段为实例，分析比较了几种不同模型下管道的失效机理。

根据计算结果，推荐选用偏于安全的两端支铰模型。

关键词：地质灾害；悬垂管道；模型；管道失效1 前言泥石流、滑坡、山洪和山区地震等山地灾害将显著影响正常输送油气管道的安全运行[1-3]，不断变化的土壤支撑和边界条件使得悬空管道长度、挠度动态发展，从而可能引发管道失效。

对于悬垂跨越管道的设计计算方法，最初是用柔索理论，即将管道视为一不能承受弯矩，仅能承受拉力的柔索。

鉴于管道并非真正的柔索，而是具有一定刚度的结构物，因而柔索理论不能反映结构的实际受力情况。

本文详细讨论了基于非柔索理论的两端铰支模型、两端嵌固模型和基于弹性地基梁理论的全弹性支承模型，并进行了实例分析，所得结果可用于悬垂管道的工程分析和设计。

2管道基本参数通过计算可得三种模型在挠度为7m时的拉力都未超过管道的屈服应力，而管道在跨度为320m时的挠度也均在设计允许范围之类，全弹性支承模型的结果介于其他两种模型之间，在k0足够大时收敛于嵌固模型。

在三中模型中，两端支铰模型在相同挠度时管道所受拉力相对较大，计算结果偏于保守，故在工程中，考虑到安全，推荐采用两端支铰模型进行计算。

参考文献[1] 冯伟，黄建忠. 滑坡变形对输气管道安全的影响分析[J]. 中国地质灾害与防治学报，2009，20（1）：51-54.[2] 荆宏远，郝建斌，陈开智，等. 在役输油气管道沿线滑坡灾害监测预警技术及应用[J]. 中国地质灾害与防治学报，2009，20（4）：124-129.[3] 李鹤林，李霄，吉玲康，等. 油气管道基于应变的设计及抗大变形管线钢的开发与应用[J]. 焊管，2007，30（5）：5-11.[4] 张效羽，肖芳淳. 悬垂管道跨越的模糊优化设计初探[J]. 西南石油学院学报，1987，9（2）：53-60.[5] GB 50459-2009 油气输送管道跨越工程设计规范[S].[6] 吴晓南，卢泓方，黄坤，等. 基于频谱分析的地震带输气管道应力分析[J]. 天然气工业，2014，34（5）：152-157.[7] 王维，梁政. 关于悬垂管道计算模型的研究[J]. 天然气工业，1997，17（5）：63-66.[8] 吴晓南，鲜燕，黄坤，等. 运行工况下隧道内输气管道的应力分析[J].油气储运，2012，31（12）：927-930.[9] HUANG Kun，LU Hongfang，SHEN Kunrong，et al. Study on Buttresses Distance of Gas Pipelines in the Deviated Well Based on Stress Analysis Method [J]. Advance Journal of Food Science and Technology，2013，5（9）：1249-1254.。

—116 —石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY2017年第45卷第10期◄石油管工程►悬空长输管道地震反应模拟分析雷震廖恒董飞飞杜国锋(长江大学城市建设学院；湖北省油气储运工程技术研究中心）摘要：为研究悬空长输管道在地震载荷作用下的动力响应，利用大型通用有限元软件 ABAQUS 进行数值模拟。

综合分析了地震载荷作用下悬空管道的应力状况和变形特征，同时考察 了悬空长度、土壤参数和管径大小以及管壁厚度等参数对悬空管道动力响应的影响。

研究结果表 明：管道壁厚、悬空长度、土壤参数和管径大小都会对埋地管道的地震反应产生较大影响，其中 管径的影响最大；在一定的管径范围内，随着管径的增大，峰值应力及峰值位移会逐渐减小，当 到达临界值后，峰值应力会随管径增大而增大。

研究成果为悬空长输管道的设计、安全维护及科 学管理提供了参考依据。

关键词：悬空管道；地震作用；相互作用；ABAQUS;动力响应中图分类号：TE973 文献标识码：Adoi: 10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2017. 10.022Simulation Analysis of Seismic Response of Long-distance Suspended PipelineLei Zhen Liao Heng Dong Feifei Du Guofeng(School o f City Construction, Yangtze University; Hubei Provincial Oil and Gas Storage and Transportation Technology Research Center)Abstract ： In order to study the dynamic response of the long-distance suspended pipeline under the action ofseismic load, the general finite element software ABAQUS has been used to conduct numerical simulation. The stress and deformation characteristics of the suspended pipeline under the distribution have been analyzed. The effects of the parameters, like the suspension length, the soil parameters, the pipe size and the pipe wall thickness, on the dynamic response of the suspended pipe have been investigated. The results show that the pipe wall thick­ness, the suspension length, the soil parameters and the pipe diameter have a great influence on the seismic re­sponse of the buried pipeline, and the pipe diameter has the greatest influence. In a certain diameter range, the peak stress and displacement gradually decrease with the pipe diameter. But the peak stress would increase with the pipe diameter when the critical value is reached. The study results could provide references for the design, safety maintenance and scientific management of long distance suspended pipeline.Keywords ： suspended pipeline ； seismic action ； interaction ； ABAQUS ； dynamic response 造成意外悬空也十分常见。

第32卷 第5期2011年9月石油学报A CT A PETROLEI SINICAV o l.32Sept.N o.52011第一作者及通讯作者:杨 毅,男,1977年4月生,2006年获西南石油大学油气储运工程专业工学博士学位,现在中国石油北京油气调控中心工作,主要从事油气管道调控技术研究和管理工作。

E -mail:yangyi.xn @文章编号:0253 2697(2011)05 0911 04输油管道悬空管段应力计算杨 毅1 闫宝东1 廖柯熹2(1 中国石油北京油气调控中心 北京 100007; 2 西南石油大学石油工程学院 四川成都 610500)摘要:输油管道经常穿越特殊地段,管道有可能在洪水或地震等作用下产生悬空管段。

悬空的管段在各种力的作用下可能会失效,严重时会出现断裂现象,给管道公司带来严重的损失。

因此,有必要采取科学方法计算管道的应力,评估油气管道悬空管段的可靠性,制定措施,缓解事故后果的影响程度。

在分析悬空管道受力模型和强度校核模型的基础上,计算并分析了某输油管道悬空管段的应力和可靠性,同时采用应力集中检测仪检测了该管段下游端50m 内的管道应力变化情况。

结果表明,此悬空管段存在运行风险,清空管内存油有助于降低管道失效概率。

对于浮管,水浮力缓解了管道的垂直方向受力情况,但增加了管道横向冲击力,会增加悬空管道的振动频率。

应力集中检测仪现场测试数据表明:越靠近土壤端,悬空管道的应力值越大,该悬空管段的最危险点应该处于土壤区内。

关键词:管道;悬空;模型;强度;应力计算中图分类号:T E 873 文献标识码:AComputing analysis of the suspended segment stress of oil pipelinesYANG Yi 1 YAN Baodong 1 LIAO Kex i 2(1.Beij ing Oil &Gas Pip el ine Contr ol Center ,P etr oChina,Beij ing 100007,China;2.School of P etr oleum Engineer ing ,Southw est Petr oleum Univer sity ,Chengdu 610500,China)Abstract :It is inevitable that oil pipelines hav e to pass t hr ough some special ar eas w here a certain fr agment of pipelines may beco me suspended due to natural geo log ical disasters,such as flood or earthquake.When this happens,the suspended part o f pipelines may suffer fro m failur e under the actio n of var ious fo rces and even break dow n in the ext reme,which w ill bring a gr eat loss to the state or pipeline co mpanies besides an enviro nmental pollution caused by oil leaking.T herefor e,it is necessar y to scientifically compute the st ress o f pipelines,evaluate the reliability of suspended segments of pipelines,and make measures to remedy accidental co nse -quences.On the basis o f analyzing the mechanical model and intensity calibr atio n model o f suspended pipelines,the str ess and relia -bility o f a certa in suspended seg ment wer e calculated and ana lyzed,and a str ess concentr ation detectio n instrument w as applied to in -spect str ess var iatio ns of the 50m lo wer course of this suspended seg ment.T he results sho wed that the suspended segment had a r isk for ma lfunctio n and clearing away the remaining oil fro m the suspended pipeline w ould r educe the invalidation pro bability o f pipe -lines.As for a flo ating pipeline,the buoy ancy of w ater wo uld r educe a force coming fr om the ver tical directio n but increase an impact force g iven later ally that can elev ate the o scillation frequency o f a suspended pipeline.T he on -site test ing data of the stress concent ra -t ion detection inst rument show ed that the closer to t he bur ied pipeline,the g reater the stress value of the suspended seg ment ,thus,the mo st danger ous po int of the suspended segment should be located at the immediat ely buried segment.Key words :pipeline;suspensio n;model;intensit y;str ess com putatio n管道作为5种运输产业之一,近年来在中国得到了快速发展。