王永振 霍思彤 曾維國 林楠 巨萌

1長慶油田分公司第一輸油處

2中國特種設(shè)備檢測研究院

管道在經(jīng)過山川河流等障礙時往往采用穿越或跨越的方案，我國跨越河流的輸油管道在長距離輸油管道工程中占有一定的比例，并且管道跨越結(jié)構(gòu)是長輸管道的薄弱環(huán)節(jié)，提高其可靠性意義重大。應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS 對懸索管橋簡化模型進(jìn)行模態(tài)綜合分析將成為主流，諸多文獻(xiàn)應(yīng)用ANSYS 針對懸索管橋結(jié)構(gòu)的多種特性開展分析研究，為實際工程設(shè)計提供了指導(dǎo)。例如，在懸索式管橋體系中應(yīng)用ANSYS 有限元結(jié)構(gòu)分析方法，分析管橋主要構(gòu)件的受力情況和安裝尺寸[1-2]?；谀炒罂缍葢宜鞴軜蛟O(shè)計方案，應(yīng)用ANSYS 分析軟件中三維有限元模型，對靜力、模態(tài)和風(fēng)振反應(yīng)、清管反應(yīng)等進(jìn)行有限元分析[3-4]。通過分析可獲得顫振臨界風(fēng)速、耦合作用下索單元剛度矩陣及極端環(huán)境下的清管過程，為管道安全運(yùn)行提供理論依據(jù)[5-7]。但是，僅依靠理論計算無法得到可靠結(jié)論，需要通過縮比模型開展特定課目研究。

隨著試驗?zāi)芰μ岣?，開始開展了一些針對實際管橋的縮比力學(xué)試驗，以對不同條件下管橋?qū)嶋H的應(yīng)力狀態(tài)變化情況進(jìn)行研究[8-10]?；谌珮蚩s比模型的風(fēng)洞試驗，給出了管橋主梁、大纜、拉索、橋塔和橋墩各構(gòu)件模型的設(shè)計和制作方法，且總結(jié)了管橋氣彈模型的相似關(guān)系，得到了管橋的風(fēng)致響應(yīng)特征?；诠艿缿宜骺缭娇s比結(jié)構(gòu)的研究，可為規(guī)范修訂和實際工程設(shè)計提供更貼近實際的理論依據(jù)。本文針對清峪河在役懸索跨越管橋進(jìn)行了縮比試驗，深入開展了管橋力學(xué)性能及鋼索力學(xué)分析研究，旨在研究在役懸索跨越管橋結(jié)構(gòu)的安全性，為工程中在役懸索跨越管橋的安全評價提供理論基礎(chǔ)。

1 懸索跨越縮比試驗

為研究不同情況下懸索跨越管橋的變形情況，建立懸索跨越試驗平臺模型，進(jìn)行不同情況下管道形變模擬試驗。試驗中，分別模擬集中載荷和不同吊索破壞作用下，懸索跨越管橋形變情況，采集各試驗條件下跨越管橋應(yīng)變情況。參考現(xiàn)有縮比模型研究方法，針對研究管道實際情況，進(jìn)行模態(tài)分析以確定相應(yīng)試驗條件[11-13]。

1.1 試驗平臺設(shè)計

以清峪河懸索跨越為例，根據(jù)幾何相似原理，對懸索跨越開展縮比簡化設(shè)計，具體相似性設(shè)計參數(shù)如表1～表3所示。

擬設(shè)計懸索跨越試驗平臺跨度33 m、管道內(nèi)徑40 mm、塔架高2.5 m、主索直徑8 mm、吊索直徑2 mm，采用與實際懸索跨越相同的連接方式。清峪河懸索跨越中吊索67組，間距4 m。根據(jù)實際試驗需求，具體設(shè)計吊索間距為0.5 m。

表3 試驗臺鋼索計算尺寸Tab.3 Calculation size of the wire ropes in the test bed

試驗平臺連接示意圖如圖1、圖2 所示，其中懸索鋼管段為試驗測試管段，應(yīng)變傳感器布置在該處進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖1 試驗環(huán)道示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental loop

試驗液體水裝在儲液罐中，經(jīng)離心泵流入環(huán)道入口；水先后流經(jīng)節(jié)流閥1、壓力計、體積流量計、觀察段（透明管）、節(jié)流閥2 和回流水管，再到達(dá)試驗環(huán)道的儲液罐，實現(xiàn)水的循環(huán)。

試驗連接的實物圖如圖3 所示。試驗過程中，水由泵增壓后進(jìn)入試驗環(huán)道，選取泵的揚(yáng)程為20 m，額定流量為20 m3/h。試驗中可通過改變節(jié)流閥的閥位來調(diào)節(jié)流量，鋼管段由法蘭連接，回水段為輸水軟管。根據(jù)試驗研究內(nèi)容，進(jìn)行不同情況下懸索跨越的應(yīng)變分析。

圖2 懸索管橋試驗臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of the suspension pipe bridge test bed

圖3 懸索跨越試驗裝置Fig.3 Test device of the suspension pipe bridge

1.2 數(shù)據(jù)采集

試驗測量參數(shù)主要包括：通過鋼管段水的體積流量和壓力、管道的變形、鋼絲索的拉力以及所施加的載荷。水的體積流量由LWGY型渦輪流量計計量，測量范圍2～20 m3/h，精度1級。測得流量后除以管道截面積可以得出水的流速，水的壓力由壓力計測出。

管道的變形由應(yīng)變儀測出，擬在懸索鋼管段每隔2 m 貼一組應(yīng)變片（每組2 片，分別布置在管道上方的軸向和橫向），測出整個管段的變形，測量誤差在2.5%以內(nèi)。選用電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片布片方案主要考慮測點的應(yīng)力狀態(tài)、構(gòu)件的受載情況和溫度補(bǔ)償原則。由于懸索跨越管橋主要承受拉、壓載荷，很少受到扭轉(zhuǎn)載荷的作用，所以選擇在管道上方以軸向和橫向粘貼的布片方式（圖4）。由于懸索跨越對稱性，由管道的中點開始向流動方向每隔2 m選取一組測點，共9組，18個測點。以管道中間點位為0 m，沿著流動方向為正，反方向為負(fù)，測點如圖5所示。

圖4 管道應(yīng)變采集布置Fig.4 Arrangement of strain collection on the pipeline

應(yīng)變片粘貼時要去除測試點的防腐層，對該處打磨清理，用工具或化學(xué)試劑清除貼片處的漆層、銹層等污垢，然后用砂輪打平，再用零號砂紙在試件表面打光，要求表面平整、無銹、無浮漿等。清理好的表面不要立刻貼片，先涂一層凡士林暫作保護(hù)，待貼片時去除。試驗過程中，集中載荷通過電子稱測量計算。

1.3 結(jié)果分析

本試驗分為10 種工況進(jìn)行試驗，具體載荷工況如表4所示。

試驗時，管道內(nèi)流體穩(wěn)定后，流量為16.34 m3/h，壓力為0.06 MPa。

圖5 測點分布Fig.5 Distribution of the testing points

表4 模擬試驗載荷工況Tab.4 Load case of simulation test

將不同工況下傳感器采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到懸索跨越在空載和正常工作工況下的應(yīng)力對比圖（圖6）?？梢园l(fā)現(xiàn)管道在空載時，應(yīng)力幾乎為0，主要是因為管道只受重力和吊索力作用，處于平衡狀態(tài)。在輸油正常工作工況下，內(nèi)部介質(zhì)重力等使管道產(chǎn)生變形，應(yīng)力增大。由于懸索跨越建造階段，吊索保持豎直，但其張緊程度主要靠人工經(jīng)驗，吊索受力程度有所不同，管道無法受力均勻，所以測量時管道應(yīng)力有正負(fù)，即存在壓應(yīng)變和拉應(yīng)變，此為試驗誤差所致。

圖6 空載和正常工作工況下應(yīng)力對比Fig.6 Comparison of strains under no-load and normal operation conditions

圖7為懸索跨越在正常工作工況與不同集中載荷工況下的應(yīng)力對比圖。集中載荷的存在引起了管道形態(tài)的改變，產(chǎn)生了較大的應(yīng)力。從圖7 可看出，管道最大應(yīng)力發(fā)生在管道起點和終點處，當(dāng)集中載荷在中間處，最大應(yīng)力在管道內(nèi)整體較小。當(dāng)集中載荷作用在管橋兩側(cè)1/4 處時，管道最大局部應(yīng)力較大。

圖7 正常工作工況與集中載荷工況下應(yīng)力對比Fig.7 Comparison of strains under concentrated load and normal operation conditions

圖8為懸索跨越正常工作工況和吊索破壞工況試驗應(yīng)力對比圖，其應(yīng)力變化較小，主要原因為吊索較多，吊索張緊較松，受力較小，因而破壞后對管道工作影響不大。

2 懸索跨越鋼絲繩力學(xué)性能分析

以靖咸管道某一懸索跨越為例，進(jìn)行了懸索跨越鋼絲繩力學(xué)性能分析。

圖8 正常工作工況和吊索破壞工況下應(yīng)力對比Fig.8 Comparison of strains under normal operation and sling damage conditions

2.1 鋼絲繩概況

現(xiàn)場截取了3 條鋼絲繩，主索分別為1#、2#，吊索為3#，1#、2#鋼絲繩為6×37結(jié)構(gòu)，3#鋼絲繩為6×19結(jié)構(gòu)，均為纖維芯（圖9），對鋼絲繩的直徑進(jìn)行3次測量，結(jié)果見表5。

圖9 鋼絲繩編號Fig.9 Numbers of the wire ropes

表5 鋼絲繩直徑測量結(jié)果Tab.5 Measurement results of the wire rope diameter

2.2 鋼絲繩拉斷試驗

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8358—2014《鋼絲繩實際破斷拉力測定方法》及GB/T 20118—2006《一般用途鋼絲繩》，鋼絲繩的拉伸試驗可在任何拉伸機(jī)上進(jìn)行，拉力達(dá)到最小破斷拉力的80%時，速度放慢，直到拉斷。1#鋼絲繩拉斷力為698.4 kN，2#鋼絲繩拉斷力為688.4 kN，3#鋼絲繩拉斷力為46.3 kN。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20118—2006，鋼絲繩的最小破斷力計算方法見式（1）。鋼絲繩測試所得到的破斷拉力大于最小破斷拉力，則該鋼絲繩為合格，反之不合格。

式中：F0為鋼絲繩最小破斷拉力，kN；K′為某一類別鋼絲繩的最小破斷拉力系數(shù)；D為鋼絲繩公稱直徑，mm；R0為鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度，MPa。

由表5測得的直徑數(shù)據(jù)，假設(shè)鋼絲繩的公稱直徑1#、2#為35 mm，3#為10 mm，根據(jù)鋼絲繩的斷面結(jié)構(gòu)，查得1#、2#、3#鋼絲繩的K′值均為0.330。

2.3 試驗結(jié)果分析

結(jié)合上述試驗數(shù)據(jù)，如果鋼絲繩牌號信息有缺失，在根據(jù)實測直徑假設(shè)公稱直徑的基礎(chǔ)上，可計算鋼絲繩的最小破斷力。經(jīng)查閱設(shè)計資料，關(guān)于靖咸輸油線路王窯加熱站—楊山輸油站所使用的鋼絲繩有如下要求：6×37鋼絲繩應(yīng)力強(qiáng)度1.55 kN/mm2，6×19 鋼絲繩應(yīng)力強(qiáng)度1.40 kN/mm2，即1#、2#鋼絲繩強(qiáng)度為1 550 MPa，1#、2#鋼絲繩的最小破斷力經(jīng)計算為626.59 kN，破斷拉力均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。3#鋼絲繩強(qiáng)度為1 400 MPa，3#鋼絲繩的最小破斷力經(jīng)計算為46.2 kN，破斷拉力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

通過懸索跨越管橋縮比試驗及懸索管橋鋼索力學(xué)分析試驗，對懸索跨越管橋的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了試驗研究。利用縮比模型試驗方法可對在役懸索跨越管橋的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行有效模擬，為現(xiàn)場懸索跨越管橋結(jié)構(gòu)的檢測及安全評價提供理論指導(dǎo)。通過研究，得到以下結(jié)論：

（1）管道在空載時，應(yīng)力幾乎為0，主要是因為管道只受重力和吊索力作用，處于平衡狀態(tài)。在輸油工況下，內(nèi)部介質(zhì)重力等讓管道產(chǎn)生變形，應(yīng)力增大。

（2）管道最大應(yīng)力發(fā)生在管道起點和終點處，當(dāng)集中載荷在中間處時，最大應(yīng)力在管道內(nèi)整體較小；當(dāng)集中載荷作用在管橋兩側(cè)1/4 處時，管道最大局部應(yīng)力較大。

（3）論文所述懸索跨越管橋縮比試驗中，當(dāng)部分吊索被破壞時，管道應(yīng)力發(fā)生變化，但對管道整體結(jié)構(gòu)的可靠性沒有嚴(yán)重影響。

（4）通過在役懸索管橋?qū)嶋H鋼索拉斷試驗可知，其表面腐蝕對鋼索內(nèi)部影響較小，且對鋼索整體力學(xué)性能影響不大。

（5）現(xiàn)有懸索跨越結(jié)構(gòu)評價方法中，對鋼索表面腐蝕評價相對保守，需要進(jìn)一步深入研究以優(yōu)化評價方法。