張宏志

大慶油田工程建設(shè)有限公司安裝公司，黑龍江大慶 163416

隨著我國(guó)成品油、天然氣管道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略布局的推進(jìn)，未來(lái)十年油氣長(zhǎng)輸管道將迎來(lái)新的建設(shè)高峰期。長(zhǎng)輸管道的溝上焊接、整體下溝技術(shù)，以其高效、安全、環(huán)保等特點(diǎn)逐漸取代了溝下焊接作業(yè)的傳統(tǒng)施工方法。但是整體下溝技術(shù)仍存在著應(yīng)用主觀性強(qiáng)、管道易產(chǎn)生殘余變形等施工難點(diǎn)，尤其是大口徑管道整體下溝施工，其難度更大。大口徑管道整體下溝的關(guān)鍵問(wèn)題是大變形、大位移、大撓度，其容易導(dǎo)致管道在橫向、豎向產(chǎn)生較大變化，從而給管道造成不同程度的損傷。

本文針對(duì)俄氣東輸管道工程中規(guī)格為D1422mm×21.4 mm、管材為X80鋼、管溝深度為4 m的大口徑管道的整體下溝技術(shù)進(jìn)行研究。對(duì)管道的起吊進(jìn)行受力分析，根據(jù)吊管機(jī)的工況，合理布置下溝位置，分析校核管道整體下溝的技術(shù)方案，找到管道整體下溝過(guò)程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力，并將其設(shè)置為施工關(guān)鍵點(diǎn)加以控制，優(yōu)化了大口徑管道整體下溝的施工工序，保證了管道整體下溝過(guò)程中不損壞母材，從而提高了大口徑管道整體下溝的準(zhǔn)確性、安全性和可靠性。

1 起吊管道受力分析

大口徑管道下溝過(guò)程采用吊管機(jī)將管道吊起，由于存在著起吊過(guò)高或吊點(diǎn)過(guò)少而造成管體應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力的問(wèn)題，因此需要對(duì)管道吊起時(shí)的受力進(jìn)行分析，即需要計(jì)算出管道的最大起吊高度h、吊管機(jī)負(fù)荷P、管道離地長(zhǎng)度L的數(shù)值[1]（見(jiàn)圖1），以指導(dǎo)管道的施工。

管道吊點(diǎn)離開(kāi)地面的高度最大值h：

圖1 管道起吊情況示意

吊裝設(shè)備負(fù)荷P：

管道離地面部分的1/2長(zhǎng)度L：

式中：h為管道起吊高度，m； [σ]為管材許用應(yīng)力，Pa；I為管道軸慣性矩，m4；D為管道外徑，m；q為管道單位長(zhǎng)度重度，N/m；E為管材彈性模量，Pa；P為吊裝設(shè)備的負(fù)荷，N；L為離地管道長(zhǎng)度的一半，m。

2 管道整體下溝最短區(qū)段長(zhǎng)度的確定

將管道分成兩個(gè)區(qū)段OA、AB。O點(diǎn)管墩的高度為0.3 m，A點(diǎn)距地面高度1 m，OA為管道第一位置點(diǎn)抬起的長(zhǎng)度，AB為管道可下入溝底的最短長(zhǎng)度，此右邊AB區(qū)段的管道由地面1 m高度降至-4 m的溝底，見(jiàn)圖2。

圖2 管道下溝區(qū)段的最短長(zhǎng)度AB

管道的極限彎曲曲率半徑[2]為：

式中：RS為管道彎曲最小曲率半徑，m；Rσ為管道彎曲最大曲率半徑，m；σs為管道屈曲強(qiáng)度，Pa。

代入相關(guān)參數(shù)，則得：

根據(jù)圖2和式（3）可以算出，可下入溝底的最短管道長(zhǎng)度（AB區(qū)段）為12 m。而實(shí)際管道整體下溝的總長(zhǎng)度為208 m。

3 確定管道整體下溝的吊管機(jī)配置方案

根據(jù)吊管機(jī)的性能參數(shù)、管道極限彎曲曲率半徑、管道與管溝中心的水平距離等，確定吊管機(jī)的配置數(shù)量和初始站位[3]。表1中對(duì)整條管道區(qū)段重新進(jìn)行了劃分，各點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。

表1 吊管機(jī)配置計(jì)算

圖3 吊管機(jī)配置

根據(jù)表1吊管機(jī)的配置，當(dāng)位于管道72 m位置時(shí)，管道離地高度為0.7 m，吊裝質(zhì)量為28.3 t，滿足90 t吊管機(jī)負(fù)荷能力80%的要求；當(dāng)位于管道72～208 m區(qū)段時(shí)，此區(qū)段的設(shè)備布置原則是管段重量小于吊管機(jī)在工作半徑下負(fù)荷能力的90%，根據(jù)此原則，依次布置了B、C、D、E、F、G、H等7個(gè)吊點(diǎn)，共計(jì)8個(gè)吊點(diǎn)，見(jiàn)圖3。

4 管道撓度曲線的擬合

由于大口徑管道長(zhǎng)度跨度大，采用多吊點(diǎn)提升，因此，通過(guò)采用多項(xiàng)式插值函數(shù)擬合管道撓度曲線，進(jìn)而建立多點(diǎn)提升的力學(xué)模型，由此計(jì)算出各種提升狀態(tài)下的變形和內(nèi)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工方案的力學(xué)校核。管道在端部和中部的n個(gè)點(diǎn)上受到鉛直向上的提升力作用，各受力點(diǎn)產(chǎn)生鉛直向上的起吊高度；提升點(diǎn)間距的合理布置及管道長(zhǎng)度方向均勻分布的自重，使得管道產(chǎn)生曲率不大的彎曲變形[4]。

4.1 插值撓度曲線

插值撓度曲線是與修正荷載集度qi有關(guān)的四次多項(xiàng)式，i+1段的插值函數(shù)yi+1（x）和i段的插值函數(shù)yi（x） 在考慮x=ai處的連續(xù)條件后得到下式：

對(duì)于任意一段插值函數(shù)可以確定出下式：

其中：i=2，3，…，n

4.2 水平狀態(tài)y和下落狀態(tài)z的撓度擬合曲線

水平狀態(tài)y和下落狀態(tài)z的擬合曲線見(jiàn)式（8）、（9），其圖像見(jiàn)圖4。

圖4 撓度擬合曲線圖形

5 長(zhǎng)輸管道整體下溝的有限元校核

為確保管道下溝安全，對(duì)管道整體下溝進(jìn)行非線性有限元分析，有限元分析校核分為管道起吊、平移至管溝頂部、垂直下落至溝底三個(gè)階段。校核管道變形應(yīng)力、吊管機(jī)的間距、起吊高度和吊裝能力是否滿足管道材質(zhì)要求和施工要求。

俄氣東輸管道工程管徑D1 422 mm，壁厚21.4 mm，管材X80鋼，彈性模量205 GPa，泊松比0.3，管道密度7 860 kg/m3，屈服強(qiáng)度555 MPa。管道整體下溝過(guò)程中主要承受自重載荷和吊管機(jī)的提升力。管道計(jì)算總長(zhǎng)208 m，布置8個(gè)吊點(diǎn)，管道彎曲曲率半徑R為700D。管道下溝前的狀態(tài)如圖5所示。

5.1 管道起吊過(guò)程

根據(jù)撓度擬合曲線公式，初始管道底部距離地面0.7 m，大口徑管道穿過(guò)吊裝帶由吊管機(jī)起吊。采用有限元分析軟件Abaqus[5]對(duì)管道起吊過(guò)程進(jìn)行分析，得到管道起吊時(shí)的受力如圖6所示，管道起吊時(shí)的位移（撓度擬合曲線位移值）如圖7所示。

管道起吊過(guò)程中，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在第1個(gè)吊點(diǎn)A前段，為141.7 MPa，小于X80鋼管的許用應(yīng)力。該吊點(diǎn)距離地面0.7 m，其余各吊點(diǎn)提升距離都小一點(diǎn)，應(yīng)力比較小。每個(gè)吊點(diǎn)上管道的位移值（撓度擬合曲線位移值）為0.7 m，與實(shí)際施工工況相符。

圖5 管道下溝前的狀態(tài)

圖6 管道起吊應(yīng)力圖/Pa

圖7 管道起吊位移圖/m

5.2 管道水平轉(zhuǎn)動(dòng)至管溝頂部過(guò)程

管道中心距離管溝中心為4.927 m，管道水平轉(zhuǎn)動(dòng)至管溝頂部過(guò)程中的受力如圖8所示，管道水平轉(zhuǎn)動(dòng)至管溝頂部的位移（撓度擬合曲線位移值）如圖9所示。

圖8 管道水平轉(zhuǎn)動(dòng)至管溝頂部的應(yīng)力/Pa

圖9 管道水平轉(zhuǎn)動(dòng)至管溝頂部的位移/m

管道水平轉(zhuǎn)動(dòng)至管溝頂部過(guò)程中，管道端部的位移值（撓度擬合曲線位移值）是5.049 m，第8個(gè)吊點(diǎn)的管道的位移值為4.927 m，其余各點(diǎn)與撓度擬合曲線對(duì)應(yīng)。計(jì)算結(jié)果顯示，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在第7個(gè)吊點(diǎn)G，該處產(chǎn)生了應(yīng)力集中。其主要原因是為了實(shí)現(xiàn)此管段與溝底的走向一致，撓度擬合曲線在此吊點(diǎn)的位移值較大。因此在實(shí)際施工中應(yīng)減少此吊點(diǎn)的作用力，可通過(guò)允許管道有限滑移至溝底來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.3 垂直下落至管溝底的過(guò)程

管溝深度為4 m，管道在自重的載荷下緩慢下落，控制管道的下落速度，管道首端下落到溝底時(shí)計(jì)算完成。在下落初始時(shí)，第1個(gè)吊點(diǎn)固定，下落完成后觀察管道的應(yīng)力分布。管道垂直下落至管溝底的應(yīng)力如圖10所示，管道垂直下落至管溝底的位移（撓度擬合曲線位移值）如圖11所示。

圖10 管道垂直下落至管溝底的應(yīng)力圖/Pa

圖11 管道垂直下落至管溝底的位移圖/m

管道從管溝頂部垂直下落到溝底時(shí)，管道前端垂直方向的位移值（撓度擬合曲線位移值），從最初的0.727 9 m緩慢下降到-4.16 m，第8個(gè)吊點(diǎn)H的下降距離是-4 m。最大應(yīng)力出現(xiàn)在第7個(gè)吊點(diǎn)G位置，接近X80鋼管的屈服強(qiáng)度，其主要原因是此管段在水平彎曲時(shí)的應(yīng)力比較高，造成下落的時(shí)候應(yīng)力比較集中。實(shí)際下溝過(guò)程中不會(huì)強(qiáng)調(diào)管道軸線精準(zhǔn)對(duì)中，不會(huì)施加很大水平彎曲力矩，所以管道在下溝中應(yīng)力不會(huì)超出管道許用應(yīng)力。

6 施工方案的工程應(yīng)用

通過(guò)對(duì)大口徑長(zhǎng)輸管道整體下溝的有限元分析校核，揭示出管道整體下溝過(guò)程中應(yīng)力集中的部位，該研究成果可用于施工過(guò)程中吊管機(jī)的優(yōu)化配置和監(jiān)督控制。本文技術(shù)成果已應(yīng)用于俄氣東輸管道工程的管道整體下溝施工中，設(shè)備在吊起、鎖緊、擴(kuò)展、下落等操作中，設(shè)備負(fù)荷始終控制在計(jì)算負(fù)荷內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了大口徑管道整體下溝的安全和可操作。該技術(shù)的工程應(yīng)用效果見(jiàn)圖12。

圖12 工程應(yīng)用效果

7 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用非線性有限元分析法研究了俄氣東輸管道工程中D1 422 mm×21.4 mm大口徑管道整體下溝施工方案的可行性。通過(guò)對(duì)該管道整體下溝過(guò)程進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變校核，給出了保證管道下溝不發(fā)生變形損壞的施工方案參數(shù)。該技術(shù)的實(shí)施提高了長(zhǎng)輸管道整體下溝的安全性、可靠性，具有良好的應(yīng)用效果和推廣前景。