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        高寒地區(qū)大管徑埋地管道折管段安全性分析

        2022-06-30 08:26:42郭勝杰楊忠國(guó)鄧書(shū)輝王石王蕓
        關(guān)鍵詞:折角覆土管徑

        郭勝杰,楊忠國(guó),鄧書(shū)輝,王石,王蕓

        (黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)土木水利學(xué)院,大慶 163319)

        給排水系統(tǒng)中,管道是不可或缺的組成部分。管道按照其使用方式可大致分為直埋敷設(shè)和管廊敷設(shè)兩種,其中管廊式敷設(shè)的最低許用環(huán)境溫度為-20 ℃,在高寒地區(qū)適應(yīng)性較差[1],故高寒地區(qū)的給排水管道多采用埋地敷設(shè)。關(guān)于高寒地區(qū)埋地管道應(yīng)用方面,不同專家學(xué)者進(jìn)行了不同研究,也得到了不同結(jié)論與成果。關(guān)于管道埋深及保溫方案設(shè)計(jì)方面,專家學(xué)者們多是通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)勘查或經(jīng)濟(jì)測(cè)算等方法開(kāi)展研究,如趙汝毅[2]、黃文霞[3]等基于經(jīng)驗(yàn)公式和彈性力學(xué)基本理論,對(duì)高寒地區(qū)供熱和給水管線的直埋淺埋等方案進(jìn)行探討;蘭茗[4]、王軍[5]、王文琴[6]等則分別進(jìn)行了管道施工現(xiàn)場(chǎng)勘查、不同方案造價(jià)測(cè)算對(duì)比、管道淺埋施工與環(huán)境參數(shù)理論分析等工作,對(duì)高寒地區(qū)不同地段的管道埋深及保溫方案進(jìn)行了研究,針對(duì)不同地段給出了高寒地區(qū)給水管道合理埋深方案。關(guān)于管道敷設(shè)方案方面,專家學(xué)者們多是通過(guò)對(duì)不同地區(qū)地理特征、不同材料性能特點(diǎn)以及所用設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等角度完成研究,如祁榮富等[7]探討了季節(jié)性凍土管道敷設(shè)方案的可行性;姜龍等[8]基于高寒地區(qū)環(huán)境要求分析了明管敷設(shè)方案的適用性;肖雷等[9]基于季節(jié)特征分析了高寒地區(qū)給排水管道施工技術(shù)的基本要求;辛真[10]、方良斌[11]、趙偉[12]、孫方龍[13]等通過(guò)管道承壓測(cè)試及管道失效分析等手段分析了高寒地區(qū)給水管道敷設(shè)方案設(shè)計(jì)思路;趙艷華[14]、王聞?shì)x[15]、王利軍[16]、呂光輝[17]等分別從管道施工管理、材料選擇和防護(hù)辦法等角度提出了高寒地區(qū)的管道防護(hù)及敷設(shè)方案新思路;劉海鵬[18]、劉子浩[19]、劉振平[20]、余林[21]等分別從埋地管道維護(hù)技術(shù)、凍土區(qū)域管道敷設(shè)及管理技術(shù)等問(wèn)題出發(fā),分析了高寒地區(qū)現(xiàn)行管道敷設(shè)方案的優(yōu)劣,并分別對(duì)高寒地區(qū)的管道敷設(shè)方案或防護(hù)管理措施提出了自己的建議。

        綜上可知,當(dāng)前的專家學(xué)者多針對(duì)高寒地區(qū)的埋地管道敷設(shè)方案、埋深等參數(shù)的合理選擇或計(jì)算方法開(kāi)展研究,而高寒地區(qū)埋地敷設(shè)的管道在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,內(nèi)部運(yùn)行壓力及管體表面覆土靜壓隨著時(shí)間將發(fā)生變化,埋地管道自身應(yīng)力也會(huì)隨之發(fā)生一定變化。管道的應(yīng)力變化直接影響其使用安全性,甚至?xí)?duì)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)造成重大影響[22],故應(yīng)對(duì)高寒地區(qū)管道不同使用環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)力分析和安全性評(píng)價(jià)。針對(duì)高寒地區(qū)大管徑埋地管道在不同覆土靜壓及運(yùn)行壓力下的應(yīng)力變化及使用安全性進(jìn)行分析,給出了相應(yīng)工況下的使用安全性。

        1 高寒地區(qū)大管徑埋地管道受力分析模型建立

        1.1 高寒地區(qū)大管徑埋地管道幾何模型建立

        埋地管道一般由工作管部分、保溫層以及外護(hù)管等部分組成,按照溫度應(yīng)力控制方法的不同,管道埋地敷設(shè)過(guò)程中,可采用冷安裝、敞開(kāi)式預(yù)熱安裝、一次性補(bǔ)償覆土預(yù)熱安裝、有補(bǔ)償安裝等方式進(jìn)行安裝[23]。在管道安裝過(guò)程中一般需要滿足《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求,如高寒地區(qū)大管徑埋地管道敷設(shè)時(shí),直管段可存在折角的情況,此時(shí)需要將折角區(qū)域進(jìn)行保護(hù),如采用彎管過(guò)渡、將折角進(jìn)行L 型或Z 型拆分以及架設(shè)折角附近的固定墩均是常用的方法。參照文獻(xiàn)[23]中的規(guī)定,可視為直管段的最大折角如表1 所示。當(dāng)超過(guò)表1 中所列數(shù)值時(shí),所敷設(shè)管段不可視為直管段。

        表1 可視為直管段的最大折角Table 1 Maximum bending angle that can be regarded as of straight pipe section

        當(dāng)高寒地區(qū)大管徑埋地管道存在折管段時(shí),在載荷作用下,埋地管道的折角區(qū)域相較于其余直管段的應(yīng)力水平更高,發(fā)生失效的可能性也更大,為確定高寒地區(qū)大管徑埋地管道的使用安全性,應(yīng)針對(duì)存在折彎段的管道受力變形情況進(jìn)行分析。故參照文獻(xiàn)[23]中規(guī)定情況,建立了管道受力分析模型如圖1 所示。所研究埋地管道的公稱直徑為500 mm,管道最大平面折角為9 °。

        圖1 高寒地區(qū)大管徑埋地管道受力分析幾何模型建立Fig.1 Establishment of geometric model for stress analysis of large diameter buried pipeline in alpine Region

        1.2 高寒地區(qū)大管徑埋地管道力學(xué)模型建立

        參照實(shí)際情形,建立高寒地區(qū)大管徑埋地管道的力學(xué)模型。由于埋地管道敷設(shè)后,其承受的主要載荷為管道周邊土體的外壓以及管內(nèi)流體提供的內(nèi)壓,故分析也主要對(duì)存在折彎段的高寒區(qū)域大管徑埋地管道在內(nèi)外壓共同作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況開(kāi)展分析。由于管道外壓主要來(lái)源于上半部分覆土的靜壓,故分析時(shí)外壓僅考慮管道上方覆土靜壓?;谏鲜龇治觯瑓⒄?qǐng)D1 所示幾何模型建立埋地管道的受力模型如圖2 所示,其中埋地管道承受載荷主要為管道上方土靜壓及管內(nèi)流體內(nèi)壓。預(yù)設(shè)載荷如表2所示,其中土靜壓越高代表埋地深度越深,為真實(shí)模擬埋地管道的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),管內(nèi)流體選擇為水,流體內(nèi)壓施加過(guò)程考慮動(dòng)載效應(yīng),動(dòng)載系數(shù)取1.25,管道采用直埋淺埋法敷設(shè),管道上方土靜壓不超過(guò)0.5 MPa,對(duì)應(yīng)埋深為2.0 m。

        圖2 高寒地區(qū)大管徑埋地管道載荷與邊界條件設(shè)置Fig.2 Load and boundary condition setting of large diameter buried pipeline in alpine region

        表2 高寒地區(qū)大管徑埋地管道受力分析預(yù)設(shè)載荷邊界Table 2 Stress analysis of large diameter buried pipeline in alpine region preset load boundary

        2 高寒地區(qū)大管徑埋地管道有限元模型建立

        2.1 網(wǎng)格劃分

        高寒地區(qū)大管徑埋地管道應(yīng)力分析過(guò)程涉及金屬?gòu)椝苄?、?dòng)載效應(yīng)等因素,要求應(yīng)力計(jì)算結(jié)果精確,故選擇C3D8I 六面體單元?jiǎng)澐致竦毓艿缿?yīng)力分析的網(wǎng)格,如圖3 所示,網(wǎng)格數(shù)量為10.87 萬(wàn)。

        圖3 埋地管道模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of buried pipeline model

        2.2 材料屬性定義

        有限元分析中,高寒地區(qū)所用埋地管道的材質(zhì)定義為大管徑埋地管道常用的X52,材料屬性如表3所示,環(huán)境溫度定義為-40 ℃。

        表3 埋地管道材料屬性定義Table 3 Definition of material properties of buried pipeline

        3 結(jié)果及分析

        3.1 不同工況下埋地管道應(yīng)力分布

        埋地管道不同土靜壓和運(yùn)行壓力作用下的應(yīng)力分布如圖4 所示。圖4(a)~(e)所示應(yīng)力峰值表明,當(dāng)管道上方的土靜壓一定時(shí),埋地管道的應(yīng)力水平將隨著管內(nèi)流體壓力升高而升高;當(dāng)管道上方土靜壓為0.2 MPa、管內(nèi)流體壓力由2 MPa 增長(zhǎng)至6 MPa 過(guò)程中,埋地管道的最大應(yīng)力由282 MPa 增長(zhǎng)至353 MPa,整個(gè)過(guò)程埋地管道未發(fā)生屈服,最小安全系數(shù)為1.02;ASME B31G-2012 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,埋地管道的安全系數(shù)[24]不應(yīng)低于1.25,但此安全系數(shù)為考慮了動(dòng)載效應(yīng)的綜合安全系數(shù),在文中施加載荷時(shí)已加入了1.25 的動(dòng)載系數(shù),故此時(shí)得到的埋地管道安全系數(shù)大于1 即可證明管道安全,即上述結(jié)果對(duì)應(yīng)的管道運(yùn)行狀態(tài)為安全狀態(tài)。圖4(a)~(e)所示應(yīng)力分布表明,當(dāng)管道上方的土靜壓不變時(shí),埋地管道的應(yīng)力峰值點(diǎn)將隨著管內(nèi)流體壓力升高而逐漸轉(zhuǎn)移至折角區(qū)域管道的下表面。當(dāng)管道上方土靜壓增長(zhǎng)時(shí),管道整體應(yīng)力水平逐漸提升,且管道上方逐漸產(chǎn)生應(yīng)力集中,當(dāng)管道上方土靜壓達(dá)到0.3 MPa 時(shí),管道流體壓力僅為2 MPa 時(shí)管道上表面已出現(xiàn)大面積屈服失效;當(dāng)管道上方土靜壓達(dá)到0.32 MPa 時(shí),管內(nèi)流體壓力為0 時(shí)管體折角處已經(jīng)發(fā)生屈服。從埋地管道不同土靜壓及管內(nèi)流壓作用下的應(yīng)力變化可知,土靜壓對(duì)埋地管道工作過(guò)程的應(yīng)力水平影響程度遠(yuǎn)高于管內(nèi)流壓。

        圖4 不同土靜壓及流體壓力作用下埋地管道應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of buried pipeline under different soil static pressure and fluid pressure

        3.2 埋地管道使用安全性評(píng)價(jià)

        為分析埋地管道不同工況下使用安全性,提取了埋地管道最大應(yīng)力隨管道上方土靜壓及管內(nèi)流壓變化情況如圖5 所示。由圖示結(jié)果可知,隨著管道上方的土靜壓升高,埋地管道的使用安全性急劇下降,當(dāng)埋地管道土靜壓不超過(guò)0.2 MPa 時(shí),安全的管內(nèi)壓力可達(dá)6 MPa;當(dāng)埋地管道上方土靜壓超過(guò)0.32 MPa 時(shí),管道未通流體的初始狀態(tài)即為危險(xiǎn)工況;管內(nèi)壓超過(guò)2 MPa 時(shí),曲線凸凹性發(fā)生改變,此現(xiàn)象說(shuō)明管內(nèi)壓力不超過(guò)2 MPa 時(shí),土靜壓為管道應(yīng)力峰值影響的主要因素,當(dāng)管內(nèi)壓力達(dá)到3 MPa時(shí),內(nèi)壓對(duì)管道應(yīng)力影響開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位。在所研究工況下,埋地敷設(shè)的大管徑管道,其安全土靜壓應(yīng)不超過(guò)0.32 MPa,實(shí)際管道敷設(shè)時(shí)可參照?qǐng)D4 及圖5所示結(jié)果完成敷設(shè)。

        圖5 埋地管道不同土靜壓及管內(nèi)流壓下應(yīng)力峰值變化Fig.5 Peak stress variation of buried pipeline under different soil static pressure and flow pressure in the pipe

        4 結(jié)論

        基于數(shù)值模擬手段,對(duì)高寒地區(qū)大管徑埋地管道工作過(guò)程的應(yīng)力分布和安全特性進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:

        (1)埋地管道存在折管段時(shí),在載荷作用下,埋地管道的折角區(qū)域相較于其余直管段的應(yīng)力水平更高。

        (2)管道上方的土靜壓一定時(shí),埋地管道的應(yīng)力水平將隨著管內(nèi)流體壓力升高而升高。

        (3)埋地管道上方土靜壓增長(zhǎng)時(shí),管道整體應(yīng)力水平逐漸提升,且管道上方逐漸產(chǎn)生應(yīng)力集中,土靜壓對(duì)埋地管道工作過(guò)程的應(yīng)力水平影響程度遠(yuǎn)高于管內(nèi)流壓。

        (4)所研究工況下埋地敷設(shè)的大管徑管道,其安全的覆土靜壓不應(yīng)超過(guò)0.32 MPa。

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