澳大利亚煤层气高密度聚乙烯管道穿越道路稳定性分析

时间：2024-11-07

秦璇宋代诗雨

中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川成都 610041

0 前言

煤层气与常规天然气组分大体相同,主要由95%以上的CH4组成,另外5%主要是CO2和N2[1-3],相较于常规气,煤层气中不含重烃组分及H2S,气质组分好,同时采气压力、产气量通常低于常规天然气。地面集输工程中煤层气采气管道考虑到煤层气采气特点及气体中伴随有大量排采液的情况,国际上常用高密度聚乙烯管道替代常用的金属管道。

高密度聚乙烯管道是一种新型轻质塑料管道[4-5],是聚乙烯管道的一种,具有质量轻、耐高压、韧性好、寿命长、便于运输等特点,常用于市政建设或海洋平台排水管道,但是随着高密度聚乙烯管道技术的发展和成本的降低,高密度聚乙烯管道已在煤层气田得到应用。由于煤层气采气井布井分散,高密度聚乙烯采气管道距离较长,可能出现穿越道路的情况,通过对比中国和澳大利亚高密度聚乙烯管道穿越道路稳定性计算方法,对高密度聚乙烯管道穿越道路进行分析研究。

1 高密度聚乙烯管道稳定性校核

1.1 中国管道稳定性校核

与埋地金属管道类似,埋地天然气聚乙烯管道的稳定性主要由外部受力评估得到,埋地管道既受周围土壤压力影响,又受路上车量载荷影响[6-7],但是聚乙烯燃气管道相关设计、验收规范中并没有对聚乙烯管道的稳定性分析做出详细计算规定,仅规定了聚乙烯管道在车行道下埋深不小于0.9 m,非车行道(含人行道)下不得小于0.6 m[7-8]。规范通过管道埋深来满足稳定性的要求,确保聚乙烯管道敷设在车行道路下的安全。在实际工程设计中,除遵循相关规范外,还需要对埋地聚乙烯管道按照GB 50332-2002《给排水管道结构设计规范》(以下简称GB 50332-2002)的要求对环向稳定性进行校核。

环向失稳是在外压力作用下,聚乙烯管道的环向截面受压屈服,环向稳定性校核即对环向是否失稳进行判断。目前中国规范中主要使用的环向失稳计算公式有藤田博爱模型[9]和斯氏公式(以下简称M-S公式)。根据GB 50332-2002对藤田博爱模型的说明,该模型不计管道周围土负抗作用,即在使用该公式计算时,不考虑土壤对聚乙烯管道的作用,虽然已有文章指出,采用藤田博爱模型计算后,只要满足《聚乙烯燃气管道技术规程》中最小覆土厚度要求,聚乙烯管道的环向稳定性即有安全保障[10]。但实际土壤载荷会对聚乙烯管道环向受力产生影响,故采用M-S公式再次进行校核,而《埋地管道结构力学》[11]、美国水工协会(AWWA)《钢管设计与安装指导手册》(M 11)[12]、GB 50332-2002中柔性管道在组合力下的变形量公式均为M-S公式的变形式,计算时采用式(1)[9]。

(1)

式中:Wd,max为管道在组合作用下的最大竖向变形,同M-S公式中Δx,mm;Dl为变形滞后系数,可取1.0～1.5,通常取1.0[13];Kd为管道变形系数，按管道敷设基础中心角2α选用见表1[14];D为管道直径,mm;φq为可变载荷的组合系数。通常取0.5[15];Sp为管材模量,MPa;Ed为土反力模量,MPa。Ed由试验确定,当没有资料时,可按CECS 164:2004《埋地聚乙烯排水管管道工程技术规程》附录C计算[14],Fsv,k为管项的竖向压力标准值，N/mm；qvk为地面车辆轮压传递到管项处的竖向压力标准值，N/mm。

表1 管道变形系数表

Tab.1 Deflection coefficient of pipe

敷设基础中心角2α/(°)20456090120150变形系数Kd0.1090.1050.1020.0960.0890.083

式(1)中Fsv,k按照式(2)计算,qvk按照式(3)计算。

Fsv,k=γsHsD

(2)

(3)

式中:γs为回填土重力密度,N/mm3，通常取1.8×10-5N/mm3[10];Hs为管顶至设计地面的覆土高度,mm;n为轮压数量;ud为车辆载荷的动力系数，按表2选用;Qvk为车辆单个轮压标准值,N;a为单个车轮着地长度,mm;b为单个车轮着地宽度,mm;dj为相邻两个轮压间的净距,mm。

表2 车辆载荷的动力系数表

Tab.2 Dynamic coefficient of vehicle load

覆土深度/mm≤250300400500600≥700车辆载荷的动力系数ud1.301.251.201.151.051.00

需注意,若在设计时缺少部分参数,qvk及Ed的计算可参考GJBT-778(04 S 520)《埋地塑料排水管道施工》标准图集中的要求[16]。

计算时,根据管道外径、管道埋深确定覆土高度,然后根据式(1)～(3)对Wd,max及Fsv,k核算组合作用下的最大竖向变形是否符合规范中规定进行校核,最大竖向变形不应超过0.05D0。

1.2 澳大利亚管道稳定性校核

澳大利亚高密度聚乙烯管道稳定性校核主要遵循AS 2566.1《埋地柔性管设计》(以下简称AS 2566.1)[20]标准。该标准对柔性管道如聚乙烯管道、高密度聚乙烯管道的结构稳定性做出了具体规定,主要从屈曲应力、扰度、受力三个方面对柔性管道的稳定性进行计算与分析。

1.2.1 柔性管道屈曲载荷计算

当管道埋深大于等于管顶水面高度时,根据AS 2566.1规定,柔性管道的屈曲分析应将折断荷载(buckling loads)与允许失稳压力相对比,折断荷载必须小于允许失稳压力,否则埋地管道将失稳。折断荷载计算见式(4)。

+wq+qv

(4)

式中:Q为折断荷载,N;γ为沟渠填充物或堤防填充物的评估单位重量,kN/m3,高密度聚乙烯管道推荐取值18.9 kN/m3[17];H为管道埋深,m;Hw为管道上方水面高度,根据地下水位不同,通常取0～1.2 m;γL为由于管道外液体造成的单位重量,推荐取值10 kN/m3[18];wgs为竖直方向上由于表面静荷载而产生的,kPa,推荐取值0 kPa[18];De为管道外径,m;wq为由于表面活动产生的动载荷,kPa;qv为内部真空度,kPa；γsub为由于土壤填充造成的载荷，kN/m3。

γsub由式(5)计算,wq由式(6)计算,同时计算时,由于在煤层气管道输送中不考虑真空输送情况,内部真空度qv忽略不计。

(5)

(6)

α=1.4-0.15H

(7)

式中:ρs为土粒比值,推荐取值2.65[17];∑P为汽车轮压之和,kN。

在计算wq即竖直方向上由于土壤造成的静荷载时,主要考虑汽车对管道的影响,计算模型见图1。图1中a为单个车轮着地长度,b为单个车轮着地宽度。

图1 车辆载荷分布图Fig.1 Distribution of wheel or track loads

允许失稳压力主要分两种,一种为基于管道沿线的允许失稳压力qall1,一种是基于管道与土壤之间的允许失稳压力qall2。根据AS 2566.1规定,在埋深大于 0.5 m 时,取两者的大值作为允许失稳压力,最终与折断荷载比较,判断埋地柔性管道是否失稳。

(8)

(9)

式中:Fs为设计因素,推荐值为2.5;θ为泊松比,推荐取值0.4[19];E′为有效组合土模量，MPa；SDL为管道长期抗弯刚度，N/m,按照式(10)计算,E′按照式(11)～(13)计算。

(10)

式中:EbL为长期弯曲模量,MPa,取值见表3[17];I为管壁单位长度截面惯性矩,mm3[20],I=t3/12,其中t为壁厚,mm;D为管道内径,mm。

表3 不同规格材质长期弯曲模量表

Tab.3 Long-term ring-bending modulus of different specifications and materials

规格材质PE 63PE 80 BPE 80 CPE 100EbL/MPa110200205260

(11)

(12)

(13)

1.2.2 柔性管道扰度计算

(14)

式中:Δy为预计长期的竖向挠曲(蠕变),m;K为土层系数,取0.1[18];wg为竖直方向上由于土壤造成的静荷载,kPa,按照式(15)计算。

wg=H×γ

(15)

表4 管侧回填土和原状土变形模量表

Tab.4 Deformation modulus of embedment soil and native soil

土壤类别不同回填土压实系数管侧变形模量/MPa不同原状土标准贯入试验撞击次数管侧变形模量/MPa85%90%95%100%450砂砾、卵石层771014771014砂砾、砂卵石细粒土含量不大于12%3571435714砂砾、砂卵石细粒土含量大于12%1351013510黏性土或粉土砂砾含量大于25%1351013510黏性土或粉土砂砾含量小于25%—137—137

表5 不同管道外径管沟壁与管道中心线距离表

Tab.5 Width of trench or embedment measured at the spring line

管道外径De/mm75≤De≤150150

表6 无压力管道允许长期的竖向挠曲(蠕变)与管径百分比表

Tab.6 Percentage of allowable Long-term vertical pipe deflection and pipe diameter for nonpressure pipe

规格材质PE 63PE 80 BPE 80 CPE 100ΔyallD/(%)7.57.57.57.5

1.2.3 柔性管道受力计算

埋地管道同时受外力(如土壤压力、车载压力)和内力作用,对于高密度聚乙烯管道的稳定性分析,还需要对受外力、内力和联合载荷情况分别进行计算。

1.2.3.1 外部受力

外部受力主要指受拉力,需要满足εb≤εball,根据AS 2566.1规定,高密度聚乙烯管道εb取值为4.0%,而εb按照式(16)计算：

(16)

式中:t为管道壁厚,mm;Df为形状因数,按照式(17)计算。

(17)

1.2.3.2 内部受力

高密度聚乙烯管道内部受力主要是流体给管壁施加的压力,需要满足Pw≤Pall的要求,Pw为管道内部工作压力,即设计中的操作压力,Pall为管道的最高操作压力,可以按照APIA CoP Version 3第4.3.5内公式计算[21],也可以根据设计压力取值。

1.2.3.3 联合载荷

AS 2566.1对管道受复合作用力进行了规定,具体见式(18):

(19)

式中:Pw为管道内部工作压力,MPa;ηp为绕应变的安全系数;ηb为内压安全系数;η为受内外力同时作用时的安全系数。ηp、ηb、η取值见表7[16]。

表7 同规格材质安全系数表

Tab.7 Safety Factors

安全系数规格材质PE 63PE 80 BPE 80 CPE 100ηp1.251.251.251.25ηb2.02.02.02.0η1.251.251.251.25

2 实际算例分析

根据澳大利亚某天然气内部集输工程的实际情况,经计算,在工程中主要采用了SDR 21高密度聚乙烯管道,假设地面载荷不大于16 t,汽车单个轮着地长度和宽度分别为0.2、0.5 m;土壤参数按照保守参数En=1 MPa,Ee=3 MPa计算,分别对PE 90～PE 200常用管道进行校核,具体参数见表8。

根据AS 2566.1规定,澳大利亚高密度聚乙烯管道穿越道路时最小埋深750 mm,因此在进行稳定性计算时,为了计算分析更可靠,覆土深度采用AS 2566.1规定的最小埋深750 mm。

在不考虑管道上方有水(即Hw=0)，得到表9计算结果。

表8 澳大利亚某高密度聚乙烯管道参数

Tab.8 Inputs of one Australia’s HDPE pipeline inputs

外径/mm壁厚/mm操作压力/MPa最高操作压力/MPa904.30.40.481105.30.40.481256.00.40.481406.70.40.482009.60.40.48

表9 SDR 21管道按照AS 2566.1核算结果表

Tab.9 Calculation results based on AS 2566.1

管径/mm壁厚tmin/mmqall/kPaq/kPaΔyallD/(%)ΔyD/(%)εballεb/(%)1/η计算值904.386.5952.497.54.04.00.70.80.741105.382.0352.717.54.04.00.70.80.751256.078.8052.877.54.24.00.70.80.751406.776.2553.037.54.34.00.70.80.752009.677.4653.697.54.34.00.70.80.75

从上述计算结果可以得出,对于满足最小埋深750 mm要求的高密度聚乙烯管道穿越道路时,在屈曲载荷校核、扰动(蠕动)校核和受力校核时都是安全可靠的。

同时采用中国GB 50332-2002计算,其余管径、壁厚、埋深等参数不变,环刚度按照SN 8计算,Kd按90°计算,结果见表10。

表10 SDR 21管道按照GB 50332-2002核算结果表

Tab.10 Calculation results based on GB 50332-2002

管径/mm最小壁厚t/mm环向变形Wd最大值/mm环向变形比值/(%)904.32.52.781105.33.12.801256.03.52.811406.74.02.822009.65.62.82