陳紅霞，馬廷霞，朱亞明，謝娜娜，張 瑜

西南石油大學機電工程學院 （四川 成都 610500）

管道作為流體物料輸送的一種特種設備，在現(xiàn)代工農業(yè)生產和人民生活中起著重要的作用，成為現(xiàn)代國民經濟發(fā)展和城鄉(xiāng)人民生活的大動脈[1]。除公路、鐵路、水運和航空以外,它是現(xiàn)代生產的第五大運輸方式,在國家經濟建設中占據(jù)著重要的地位[2]。我國地域遼闊，地貌形勢多樣，長輸管道不可避免地要穿越河流、湖泊等水文活動地域。在長期服役過程中，若河床變化較為劇烈或遇大型洪水，水流沖刷可能造成管道裸露和漂浮[3]。本例為敷設在河漫灘土體下的管道，受水流沖刷易造成覆蓋層減薄、裸露甚至懸空，從而出現(xiàn)較大的位移應力、屈曲或蠕變，甚至發(fā)生管道斷裂破壞[4]。因此，對潛在危險段管道進行監(jiān)測與維護十分重要。漂管沉降技術以其施工簡單、造價低、工期短、經濟效益顯著、不破壞農田的優(yōu)點適用于南方及沿海地區(qū)大中型河流的管道穿越[5]。但管道沉降技術的實施過程會使管道處于復雜的受力以及變形情況之中，具有一定的危險性。由馬廷霞教授發(fā)明的應力應變遠程監(jiān)控儀[6]是一種對管道進行實時應力應變監(jiān)控的裝置，將其應用于管道沉降過程中，可以為管道沉降技術提供技術指導，為保證管道的安全起到重要作用[7]。

1 應力應變監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 應力應變監(jiān)控技術

應力應變監(jiān)控系統(tǒng)通過將被測構件表面視為二向應力狀態(tài)，采用由3個應變片組成的應變花 （圖1），分別測得3個方向的線應變。在彈性范圍內，由廣義胡克定律確定3個方向主應力為[8]：

圖1 應變花方位圖

式中：E為彈性模量（楊式模量），MPa；μ為泊松比，無量綱；ε0°、ε45°、ε90°為 0°、45°、90°方向應變，無量綱；σ0°為軸向應力，MPa；σ90°為環(huán)向應力，MPa；σ1，σ2為各主應力值，MPa；θp為主應力方向角度，°。

1.2 應力應變遠程監(jiān)控儀

應力應變遠程監(jiān)控儀主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括應變采集器、數(shù)據(jù)處理轉換器、無線GPRS模塊、供電裝置；軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集及分析、數(shù)據(jù)庫維護、數(shù)據(jù)處理及曲線表達、自動報警、網絡控制、防雷裝置。監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖2所示，應變采集器可以實時采集構件軸向、環(huán)向、45°方向應力-應變，通過數(shù)據(jù)處理轉換器輸出結構主應力值及主應力方位角，繪制結構環(huán)向、軸向、45°方向、主應力應變-時間曲線；完成監(jiān)測報告。系統(tǒng)的遠程監(jiān)控是基于GPRS模塊實現(xiàn)的，其數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

2 實例分析

2.1 工程背景

某長輸管道受特大暴雨沖刷影響，發(fā)生90m漂管險情，造成管段裸露和局部管道變形，現(xiàn)場照片如圖4所示。該段管道主要在河漫灘敷設，主要地層巖性為卵石，成分以灰?guī)r為主，厚度大于5m，地下水位深度0～1.5m，水質較好，對管道弱腐蝕。該段河道最大沖刷深度為1.93m。管道參數(shù)見表1和表2。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

圖4 沉管管段現(xiàn)場照片

2.2 危險截面的確定

根據(jù)工況用有限元軟件ABAQUS建立如圖5(a)所示的模型[9]，通過ABAQUS/Standard求解器得出如圖5(b)的結果[10]。結果表明管道最大應力值在管道與土壤的結合處為378.8MPa，超過了許用應力，嚴重威脅管道運行安全[11]。通過對該管段的具體情況進行分析，采用沉管[12]方案對其治理，并對沉管過程管道危險截面的應力-應變進行實時監(jiān)測。

2.3 危險截面受力分析

根據(jù)《現(xiàn)役管道的不停輸移動推薦作法》，

軸向初始應力：

式中：SP為由內壓產生的軸向拉伸應力，MPa；ST為由于溫度變化產生的管道軸向拉伸應力，MPa；p為管道最大內工作壓力，MPa；D為管外徑，mm；μ為鋼材泊松比，0.3；t為管子公稱壁厚，mm；E為彈性模量 （楊式模量），MPa；a為鋼材線性熱膨脹系數(shù)，mm/（mm·℃）；T1為管道安裝時的溫度，℃；T2為管道移動時的工作溫度，℃。

表1 管道基本參數(shù)

表2 管道計算參數(shù)

圖5 管道模擬計算

環(huán)向初始應力

式中：σφ為管道環(huán)向初始應力，MPa。

管道設計許用應力

式中：[σS]為管道設計許用應力，MPa；FD為設計系數(shù)，無量綱；SMYS為管道規(guī)定最小屈服強度，MPa。

根據(jù)式（5）～（7）算出應力值見表 3。

表3 管道計算應力

管道監(jiān)測過程運行應力增量

式中：[σj]為管道監(jiān)測過程運行許用應力增量,MPa。

在沉管過程中，管道內外壓不發(fā)生變化，環(huán)向應力變化很小，所以應采用軸向應力小于許用應力作為安全評定準則[13]。

3 監(jiān)測過程

3.1 沉管監(jiān)測位置布置

根據(jù)風險載荷作用情況，選擇危險點，包括：①風險載荷直接作用區(qū)域；②風險載荷作用后對彎管的影響區(qū)；③焊縫區(qū)、接管區(qū)；④管子橫截面直徑、壁厚、溫度、壓力突變區(qū)[14]。

危險截面共計9個，監(jiān)測點位置如圖6所示。其中：過渡段與沉管段連接處，為折角最大處，屬危險截面，需要在兩處連接點各裝設2個應變傳感器，設置4個監(jiān)測點；撓度最大處，屬危險截面，需要在此處裝設1個應變傳感器，設置2個監(jiān)測點。中間段附近管道彎曲，在彎管處設置監(jiān)測點，設置了3個監(jiān)測點。每個監(jiān)測點需要設置1個溫度補償傳感器，共設置9個溫度補償傳感器。

圖6 監(jiān)測點位置示意圖

3.2 設計參數(shù)

根據(jù)《現(xiàn)役管道的不停輸移動推薦作法》附錄B計算，在鋼管軸向應力不超過應力極限下，管段沉降至預定深度時過渡段最小長度Lmin=208m。

參照類似工程實例并考慮管道服役年限、確保沉管施工過程安全等綜合因素，確定上述值按照300m選取。則沉管的開挖管溝最小長度為390m。

3.3 沉管段的分布

通過計算，過渡段長度為300m，單側長度取150m。施工前在對管道縱斷面標高和平面位置進行復測及對管位、彎管等進行準確定位后，應根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當調整分配兩側過渡段的長度以滿足實際沉管的需要。具體沉管示意圖如圖7所示。

圖7 管段沉管示意圖

3.4 監(jiān)測結果

選用陜西漢中中原電測儀器廠生產的水下電阻應變傳感器，共64個，應用3.1所述監(jiān)測方案，一次測量0°、45°、90°方向應力應變值。針對上述危險段，每段選取一個點列出其最大主應力絕對值，見表 4?？梢钥闯霰O(jiān)測點3的應力值最高，點3為彎管段，在沉管過程中彎管曲率發(fā)生變化，造成應力集中。

表4 監(jiān)測過程中主應力最大值數(shù)據(jù)表

4 結論

沉管過程中采用實時監(jiān)控的方式，對于沉降過程中局部應力增大予以及時調整，減小其應力值，使得管道各個危險截面的主應力都保持在許用應力范圍內，最后成功完成了沉管。應力應變監(jiān)控技術的應用，提高了管道治理的安全性、節(jié)省了費用，有效地避免了一些事故的發(fā)生，保障了人民群眾的生命安全以及環(huán)境安全。同時，管道監(jiān)測技術還可以擴展應用于類似的工程中。

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