黃 思1，張 聰1，徐征南1，牛琦鋒1，林冠堂，陳英紅

(1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641；2.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 珠海檢測院，廣東珠海 519002)

0 引言

化工園區(qū)的架空管道一般用于輸送各種溫度、壓力和流動工況的化工原料和成品。在基礎(chǔ)不均勻沉降地段，立柱、鋼架和管道產(chǎn)生相對錯位，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部變形，直接影響架空管道的作業(yè)安全[1-2]。近年來，因地基不均勻沉降帶來的儲運設(shè)備安全問題引起了有關(guān)研究人員的關(guān)注。冷建成等[3-5]分別對地基不均勻沉降下的管道做應(yīng)力分析和沉降變形研究，為管道安全性控制提供一定的理論依據(jù)。高紅利等[6-8]分別對儲罐基礎(chǔ)不均勻沉降做受力分析、變形分析及安全性分析，為開展儲罐地基沉降安全評估提供技術(shù)指導(dǎo)。但缺少有關(guān)基礎(chǔ)不均勻沉降架空管道的研究報道。

本文選取華南某化工園區(qū)一個基礎(chǔ)不均勻沉降地段的架空管道桁架橋作為研究對象，采用自動安平水準(zhǔn)儀測量架空管道立柱的沉降值，在此基礎(chǔ)上考慮重力、介質(zhì)溫度、流動載荷等因素，建立系統(tǒng)完整的ANSYS有限元計算模型進行數(shù)值計算，旨在探索一套針對基礎(chǔ)不均勻沉降架空管道桁架橋?qū)嶋H應(yīng)用的安全風(fēng)險評估方法，為架空管道桁架橋的安全運行提供堅實的技術(shù)支持。

1 立柱沉降測量

通過對實際架空管道桁架橋的簡化，建立如圖1所示的基礎(chǔ)不均勻沉降地段架空管道桁架橋幾何模型，其縱向和橫向具體參數(shù)如圖2,3所示。

圖1 管道桁架橋幾何模型

圖2 模型縱向示意

(a)立柱③和④

(b)其余立柱

圖3 模型橫向示意

圖4示出最高立柱之間的鋼架水平布置圖。該系統(tǒng)有10組立柱，4層管架：第1層管架有5根管道；第2層有3根；第3層有3根；第4層有16根，一共27根管道，管道編號如圖3所示。

采用可自動視線調(diào)平、穩(wěn)定抗干擾的DSZ3-32X型水準(zhǔn)儀測量架空管道立柱的沉降值，得到沉降地段中幾組立柱的累積沉降值h如表1所示，其中立柱①和⑩不在沉降地段。

圖4 鋼架水平布置示意

表1 架空管道立柱累積沉降測量值

2 有限元建模

2.1 計算單元類型

根據(jù)圖1～4所示的架空管道桁架橋布局，建立ANSYS的APDL有限元計算模型。分別使用梁單元(Beam 189)和管單元(Pipe 289)對管架、鋼架和管道進行建模[9-13]。表2列出了管架、鋼架和管道單元的具體數(shù)據(jù)。

表2 單元參數(shù)和材料類型

注：B-梁單元截面長度；H-截面高度；D-管單元外徑；δ-管壁厚度；T1-鋼架腹板厚度；T2-鋼架翼板厚度;單位均為mm

2.2 材料屬性

有限元模型中使用的材料常數(shù)如表3所示。由結(jié)構(gòu)的材料、單元類型以及單元截面尺寸，建立了完整的架空管道ANSYS計算模型，共包括57 106個單元和28 916個節(jié)點。圖5為架空管道桁架橋有限元網(wǎng)格模型。

表3 架空管道桁架橋結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

圖5 架空管道桁架橋有限元網(wǎng)格模型

2.3 介質(zhì)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，計算所使用的介質(zhì)種類、操作工況和介質(zhì)物性參數(shù)如表4所示。

表4 管道輸送介質(zhì)參數(shù)

3 載荷與約束條件

載荷主要有重力、介質(zhì)溫度和流動對管道的作用力。計算中對無沉降的立柱底部采取固定約束，有沉降的立柱底部按表1的測量結(jié)果設(shè)置向下位移[14]。

3.1 介質(zhì)溫度載荷

管道因流動介質(zhì)溫度與安裝時環(huán)境溫度的差異而產(chǎn)生伸縮，故在有限元計算中，需同時考慮溫度和結(jié)構(gòu)的選項[15-18]。施加溫度載荷時，所需的材料熱膨脹系數(shù)、介質(zhì)工作溫度和導(dǎo)熱系數(shù)見表3，4。

3.2 介質(zhì)流動載荷

流動介質(zhì)對管道施加的力主要有因黏性流動造成的沿程阻力和因管道變向90°而產(chǎn)生的作用力[19]。

(1)等徑管道沿程阻力。

(1)

式中FX——等徑管道中流體對管道的作用力，N;

l——管道長度,m；

d——管道內(nèi)徑,m；

v——介質(zhì)流速,m/s；

A——管道截面積，m2。

沿程阻力系數(shù)λ為：

λ=0.3164/Re0.25

(2)

其中：

Re=vd/υ

(3)

式中υ——介質(zhì)運動黏性系數(shù),m2/s。

作用于等徑直管的流體力如圖6所示。

圖6 作用于等徑直管的流體力

(2)90°等徑彎管作用力。

(4)

式中FX——90°等徑彎管中流體對管道X向的作用力，N;

FY——90°等徑彎管中流體對管道Y向的作用力，N。

作用力方向和作用點如圖7所示。

圖7 作用于90°等徑彎管的流體力

4 計算結(jié)果與分析

4.1 位移分布

圖8,9分別示出計算得到的架空管道桁架橋X向和Y向位移分布(坐標(biāo)分別代表架空管道桁架橋X向和Y向位移，正值表明與坐標(biāo)軸方向一致，負值表明與坐標(biāo)軸方向相反，單位為m)?？梢钥闯觯畲骕向位移(15.2 mm)出現(xiàn)在編號26、輸送介質(zhì)為精制柴油的管道，位于管道倒角與管架②橫梁接觸的地方；最大Y向位移出現(xiàn)如圖4鋼架水平布置的⑥和⑦之間，最大位移值為17.2 mm。

圖8 架空管道桁架橋X向位移分布

圖9 架空管道桁架橋Y向位移分布

此外，一般結(jié)構(gòu)在靜力作用下需要滿足δ/L≤1/900(δ表示最大撓度，L表示桁架橋的長度)，可以檢驗該橋在此集中荷載作用下滿足剛度要求，即δ/L=0.017224/39=4.42×10-4<1/900=1.11×10-3，可知該結(jié)構(gòu)在綜合力作用下滿足剛度要求[20]。

4.2 應(yīng)力分布和強度校核

圖10示出計算得到的架空管道桁架橋等效(von Mises)應(yīng)力分布(坐標(biāo)代表架空管道桁架橋等效應(yīng)力，單位為Pa)?？梢钥闯?，最大應(yīng)力(150 MPa)出現(xiàn)在編號9、輸送介質(zhì)為非芳烴產(chǎn)品線的管道與管架②第3層橫梁接觸的地方。由于該管道內(nèi)徑小、介質(zhì)溫度高、黏度大，所以該管道應(yīng)力高于其他管道。

圖10 架空管道桁架橋等效應(yīng)力分布

根據(jù)行業(yè)的技術(shù)規(guī)程[21]可知，管材因熱脹冷縮和其他位移受到約束而產(chǎn)生的熱脹二次應(yīng)力σf需滿足以下條件[22]：

(5)

對于架空管道所采用20#鋼，按式(5)得知二次應(yīng)力值應(yīng)滿足σf≤189 MPa。由圖10可以看出，計算得到的架空管道桁架橋最大應(yīng)力為150 MPa，滿足條件σf≤189 MPa，故該不均勻沉降地段的架空管道運行可靠。

4.3 臨界沉降值

為考察該地段架空管道桁架橋所能承受的臨界沉降大小，在計算模型中對各立柱分別單獨設(shè)置沉降值h(其余立柱無沉降)，計算出所對應(yīng)的系統(tǒng)最大應(yīng)力σmax，得到如圖11所示的單柱沉降值h和最大應(yīng)力σmax關(guān)系，由此可根據(jù)管材的許用應(yīng)力[σ]求出各單柱的臨界沉降值hcr。以20#鋼的二次許用應(yīng)力為例，在圖11中做σmax=189 MPa的水平線與其余各線相交，得到各交點的橫坐標(biāo)h即為各單柱的臨界值hcr，如表5所示。由表5可以看出，最高立柱③④和相鄰立柱②⑤所能承受的沉降值較小。

表5 單柱的臨界沉降值hcr

5 結(jié)論

通過對某化工園區(qū)基礎(chǔ)不均勻沉降地段的架空管道桁架橋的沉降測量和有限元計算，得到以下結(jié)論。

(1)所研究的架空管道桁架橋最大位移出現(xiàn)在鋼架中間，通過δ/L的剛度驗算，管道桁架橋的剛度滿足設(shè)計要求。

(2)在整個架空管道桁架橋中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)徑小、介質(zhì)溫度高、黏度大的管道與橫梁接觸的位置。經(jīng)強度校核，該不均勻沉降地段的架空管道桁架橋滿足應(yīng)力校核。

(3)不均勻沉降架空管道桁架橋中最高立柱和相鄰立柱所能承受的沉降值較小，需重點關(guān)注這些立柱的沉降情況。

(4)所采用的熱流固耦合有限元計算方法對基礎(chǔ)不均勻沉降地段的架空管道受力分析是切實可行的，可為在役架空管道的安全運行提供堅實的技術(shù)支持。