程夢鵬 甘麗華 唐繼蔚 劉 暢

1.中國石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000;2.杭州歐佩亞海洋工程有限公司,浙江 杭州 310012

?

挖掘載荷作用下埋地RTP管道的有限元分析

程夢鵬1甘麗華1唐繼蔚2劉 暢2

1.中國石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000;2.杭州歐佩亞海洋工程有限公司,浙江 杭州 310012

為分析挖掘荷載作用在管道上所造成的后果，采用ABAQUS非線性有限元軟件的耦合歐拉-拉格朗日法(CEL),對承受挖掘載荷作用的鋼絲纏繞增強塑料復合管(RTP)進行有限元三維建模。土壤本構關系選用Mohr-Coulomb模型,分別從挖掘載荷未直接作用和直接作用在RTP管上進行分析,在挖掘載荷直接作用下RTP管各層材料發(fā)生屈服、斷裂,管道結構發(fā)生變形、破裂,即RTP管強度失效。分析結果為采取相應的有效保護措施提供了依據(jù)。

挖掘載荷;埋地管道;熱塑性增強管;耦合歐拉-拉格朗日法;有限元分析

0 前言

鋼絲纏繞增強塑料復合管(RTP)是我國擁有自主知識產(chǎn)權的高新技術產(chǎn)品，它是以熱塑性塑料高密度聚乙烯為基體,以高強度鋼絲傾角錯繞而成的網(wǎng)狀骨架為增強體,鋼絲與塑料之間采用高性能樹脂粘結而成的鋼塑復合結構。RTP管生產(chǎn)效率高,結構可設計性強,并具有承載能力強、耐腐蝕性好、耐磨性優(yōu)良、性價比高、質量輕、安裝運輸便捷等優(yōu)點。從21世紀初起,已在市政工程、民用建筑、醫(yī)療化工、農(nóng)業(yè)和煤化工等行業(yè)中廣泛應用。

隨著人類社會的不斷進步和發(fā)展,工業(yè)化程度不斷提高,各種施工越來越頻繁,如:修筑地下鐵路、地下商場以及挖煤采礦等,如果防護措施不當,可能造成埋地輸氣管道的損壞[1]。埋地輸氣管道的施工條件比較惡劣,在役檢測困難,再加上輸送介質的特性,一旦發(fā)生泄漏或斷裂,可能引起爆炸、燃燒、中毒等重大事故,使人民的生命和財產(chǎn)遭受重大的損失,使社會的生產(chǎn)和經(jīng)濟遭受嚴重破壞[2-3]。

挖掘荷載作用在管道上所造成的后果,一是直接導致管道破裂,引起介質泄漏;二是不同程度地損壞管道防腐層或給管線造成刮痕、壓坑等缺陷，為管道腐蝕或應力集中開裂埋下隱患[4]。需要分析其產(chǎn)生的原因并采取相應的有效措施保證管道的安全可靠運行。

宰金珉等人[5]指出無論從靜力學還是動力學的角度分析結構的受力狀態(tài),土體與結構的相互作用都是不可忽略的,只有把結構與基礎和地基作為相互作用又相互制約的整體分析,才能得到比較符合實際的計算結果。土體和結構的非線性接觸是土體-結構相互作用問題的難點之一,較為簡化的處理是土體-結構共用節(jié)點,但是準確來講,土體與結構間的關系應該是摩擦接觸,而對動力問題來說就是動力接觸[5]。本文利用ABAQUS有限元軟件,采用耦合歐拉-拉格朗日算法(CEL)結合非線性動力學基本理論,模擬挖掘機破壞埋地RTP管道過程。CEL方法結合傳統(tǒng)拉格朗日法和耦合歐拉法的優(yōu)點,已成為解決物體發(fā)生大變形情況下的一種比較通用的計算力學方法,而非線性動力學理論考慮了在挖掘載荷作用下土體和RTP管相互作用的動力問題[6]。

1 材料模型

1.1 土體的彈塑性模型

本文土體模型選用Mohr-Coulomb模型,其屈服面在子午面內(nèi)是一條雙曲線,在偏應力平面內(nèi)則是六邊形,見圖1[7-8]。

圖1 偏應力面上的Mohr-Coulomb模型屈服面

Mohr-Coulomb模型屈服準則假定當土體中任何點的剪應力達到某個值時破壞發(fā)生,考慮正應力的最大主剪應力屈服理論,在-σ坐標系中,屈服或破壞線見圖2。

Mohr-Coulomb的破壞準則為:

(1)

在壓縮情況下σ為負值,從Mohr圓中可知:

(2)

經(jīng)變換可得到:

s+σmsinφ-c cosφ=0

(3)

土體參數(shù)見表1。

圖2 Mohr-Coulomb破壞模型

1.2 RTP管材料模型

RTP管的主要材料是高密度聚乙烯(HDPE)、鋼絲和熱熔膠[9-10]。通過在HDPE制成的芯管上以一定的傾角順時針或逆時針纏繞高強度鋼絲,采用擠出工藝將HDPE包覆于外層,高強度鋼絲與內(nèi)外層HDPE之間熱熔粘接為一體[11-13]。管道材料模型選用各向同性彈塑性模型。HDPE材料和鋼絲材料參數(shù)見表2～3。

表1 土體參數(shù)

參數(shù)值密度/(kg·m-3)1780彈性模量/MPa0.207泊松比0.3摩擦角/rad0.35初始凝聚力/MPa6.9E-5剪脹角/rad0

表2 HDPE材料參數(shù)

參數(shù)值密度/(kg·m-3)940彈性模量/MPa1002泊松比0.45極限抗拉強度/MPa26.5承載應力/MPa24

表3 鋼絲材料參數(shù)

參數(shù)值密度/(kg·m-3)7800彈性模量/MPa2.1E5泊松比0.26極限抗拉強度/MPa2100

1.3 挖掘載荷參數(shù)

挖掘機抓斗主要是由鋼材構成,挖掘機參數(shù)見表4。

表4 挖掘機參數(shù)

參數(shù)值密度/(kg·m-3)7800彈性模量/MPa2.1E5泊松比0.26挖掘半徑/m1.5斗齒數(shù)目2

2 有限元計算模型

2.1 幾何模型

挖掘荷載作用下埋地RTP管的動力響應過程可抽象為半無限體在沖擊荷載下作用的問題[14],使用耦合歐拉-拉格朗日有限元分析模型進行仿真。挖掘機以一定的挖掘力和挖掘半徑進行挖掘,地面到管頂距離0.8 m。土體是半無限空間體,計算時選取7.2 m×3.6 m×1.8 m的范圍,幾何模型見圖3,RTP管幾何參數(shù)見表5。

圖3 幾何模型

表5 RTP管幾何參數(shù) mm

2.2 模型單元類型

有限元模型見圖4,其中挖掘機挖斗位于土體上方采用S 4 R單元模擬;管道在土體中間,其HDPE層和加強層基體由C 3 D 8 R單元模擬;鋼絲嵌于RTP管加強層內(nèi),采用T 3 D 4單元模擬[15-17],見圖5;土體使用EC 3 D 8 R歐拉單元模擬[18]。

圖4 有限元模型

圖5 RTP管有限元模型

2.3 載荷與邊界條件

根據(jù)研究對象實際受力變形情況,利用耦合約束將RTP管端面6個自由度與中心點的運動約束在一起。在模型兩端固定軸向位移。同時,RTP管內(nèi)壁面施加 6.4 MPa 的均布壓力。

土體模型邊界條件見圖6，分別固定其中3個面的法向運動。

圖6 土體模型邊界條件

在整個分析過程中都將挖斗設定為剛性體,并按圖7定義剛性體約束點,在約束點上施加y方向向下速度0.01 m/s、繞z軸方向角速度1.57 rad/s并約束挖斗其他4個自由度的運動。

圖7 挖斗邊界條件

3 分析結果

3.1 挖斗與管道距離對管道響應影響

建立挖斗與管道的距離分別為0.8、0.6、0.4、0.2 m的4個模型,挖掘載荷均為250 kN。

以挖斗與管道距離為0.8 m為例,當挖掘機開始作業(yè),挖斗撞擊到RTP管上方土面,沖擊能量傳遞到管道處,此時管道局部最大等效應力(Mises應力)瞬間達到21.03 MPa,見圖8。但隨著挖斗撥開土層并遠離管道,能量逐步釋放后,管道的最大等效應力很快下降到8.41 MPa,見圖9。

圖8 挖掘機挖斗初次撞擊土面

圖9 挖掘機挖斗遠離RTP管

圖10 內(nèi)外層管道等效應力云圖

圖11 挖斗未直接作用在RTP管上鋼絲應力圖

在本次挖掘過程中,管道上層有土壤保護,且挖斗并沒有直接撞擊到管道,從圖10內(nèi)外層管道等效應力云圖中可以看出管道受到上方擠壓,HDPE材質的等效應力最大值在管道底部為21.03 MPa，沒有超過HDPE材料的強度極限,從圖11挖斗未直接作用在RTP管上鋼絲應力圖中也可以看出RTP管中的加強鋼絲最大應力只有743 MPa，遠沒有達到鋼絲的強度極限2 100 MPa。從管道整體性來看,管道沒有明顯變形,在挖掘機挖斗遠離后,管道應力、變形都恢復正常，可見過程中RTP管并沒有破壞。

圖12為不同挖斗與管道距離同HDPE最大Mises應力關系曲線,圖13為不同挖斗與管道距離同增強層鋼絲最大Mises應力關系曲線。從圖12～13可以看出，內(nèi)外層HDPE和增強層鋼絲始終沒有失效,隨著距離增大,HDPE和增強層鋼絲的Mises應力峰值明顯減小。相同挖掘載荷下,傳播距離越長,能量消耗越多,挖掘的影響就越小。在挖掘載荷一定的情況下,挖斗與管道的距離越大,埋地輸氣管道破壞的可能性越小。

圖12 挖斗與管道距離與HDPE最大Mises應力關系曲線

圖13 挖斗與管道距離與增強層鋼絲最大Mises應力關系曲線

3.2 不同挖掘載荷對管道響應影響

建立挖掘載荷分別為50、100、150、200、250 kN的5個模型。挖斗與管道的距離不變均為0.8 m。

當挖掘機繼續(xù)作業(yè),大部分土壤被挖開,挖斗撞擊到RTP管上,以挖掘載荷250 kN為例,見圖14。此時管道發(fā)生大變形破壞,HDPE最大等效應力達到24.28 MPa，超過HDPE的承載應力,RTP管的等效應力云圖見圖15。同時鋼絲的應力也達到了1 918 MPa，接近其極限強度2 100 MPa,見圖16。從計算結果可知，管道發(fā)生明顯形變,管道的HDPE層和增強層鋼絲都已經(jīng)遭到破壞。

圖17為挖掘機挖斗直接作用于RTP管上的沖擊力隨時間變化曲線,RTP管所受挖斗最大沖擊力為223.7 kN,在挖掘載荷作用下RTP管的主要破壞形式以強度失效為主,管道發(fā)生大變形、破裂失效。

圖18為不同挖掘載荷與HDPE最大Mises應力關系曲線,圖19為不同挖掘載荷與增強層鋼絲最大Mises應力關系曲線。從圖19可以看出，當挖掘載荷超過150 kN,HDPE最大等效應力超過了其承載應力24 MPa,RTP管失效。隨著挖掘載荷的增大,HDPE和增強層鋼絲的Mises應力峰值也增大,但它們之間并不是線性關系。這是因為在挖掘荷載下,管道表面覆土深度太小,土體已經(jīng)發(fā)生塑性變形,而土體和RTP管又是復雜的動態(tài)接觸,本身就是個高度非線性的問題,故在分析土體與結構的相互作用時,不能將兩者分開考慮,只有把結構與土體相互作用又相互制約作為整體分析,才能得到比較符合實際的計算結果。

圖14 挖掘機挖斗撞擊RTP管

圖15 RTP管等效應力云圖

圖16 挖斗未直接作用在RTP管上鋼絲應力圖

圖17 挖掘機挖斗直接作用于RTP管上的沖擊力隨時間變化曲線

圖18 不同挖掘載荷與HDPE最大Mises應力關系曲線

圖19 不同挖掘載荷與增強層鋼絲最大Mises應力關系曲線

4 結論

挖掘載荷作用位置是等效應力最大處,也是RTP管最先達到破壞的位置?？梢詫ises屈服準則作為挖掘載荷作用下埋地RTP管破壞的優(yōu)先準則。

挖掘載荷作用下影響埋地輸氣RTP管的因素很多,本文僅從挖斗與管道距離和挖掘載荷大小兩方面進行分析研究。分析結果表明:RTP管Mises應力峰值的大小與挖斗與管道距離有關,隨著距離的增大,其峰值明顯減小,為保證管道的安全,應禁止在管道附近施工,建議施工范圍在0.5倍挖掘半徑范圍外;隨著挖掘載荷的增大,RTP管Mises應力也增大,但由于土體發(fā)生塑性變形以及土體和管道間是復雜的動態(tài)接觸問題,它們之間是非線性的關系。下一步可以對RTP管埋深及壁厚等因素進行研究。

[1] 鐘 強,趙國仙.某海底輸送管線腐蝕失效分析[J].天然氣與石油,2016,34(1):89-93.

Zhong Qiang,Zhao Guoxian.Analysis on Corrosion Failure in Certain Submarine Pipeline[J].Natural Gas and Oil,2016,34(1):89-93.

[2] 景國泉.埋地管道的極限載荷計算與風險評價[D].南京:南京工業(yè)大學,2003:1-6.

Jing Guoquan.Limit Load Calculation and Risk Assessment of Buried Pipe[D].Nanjing:Nanjing Tech University,2003:1-6.

[3] 黃崇偉.溝埋式輸油管道管土相互作用分析[J].公路工程,2011,36(2):164-168.

Huang Chongwei.Theories on Mechanics and Pipe-Soil Interaction Model of Channel-Buried Pile[J].Highway Engineering,2011,36(2):164-168.

[4] 呂宏慶,李均峰.管道第三方破壞的原因及預防措施[J].天然氣工業(yè),2005,25(12):118-120.

LüHongqing,Li Junfeng.Cause and Prevention of Pipeline Third-Party Interference[J].Natural Gas Industry,2005,25(12):118-120.

[5] 宰金珉,莊海洋.對土—結構動力相互作用研究若干問題的思考[J].徐州工程學院學報,2005,20(1):1-6.

Zai Jinmin,Zhuang Haiyang.Analysis on the Several Problems about the Dynamic Soil-Structure Interaction[J].Xuzhou Institute of Technology,2005,20(1):1-6.

[6] 楊秀娟,閆 濤,修宗祥,等.海底管道受墜物撞擊時的彈塑性有限元分析[J].工程力學,2011,28(6):189-194.

Yang Xiujuan,Yan Tao,Xiu Zongxiang,et al.Elastic-Plastic Finite Element Analysis of Submarine Pipeline Impacted by Dropped Objects[J].Engineering Mechanics,2011,28(6):189-194.

[7] 賀 嘉,陳國興.基于ABAQUS軟件的大直徑樁承載力-變形分析[J].地下空間與工程學報,2007,3(2):306-310.

He Jia,Chen Guoxing.Analysis of Bearing Capacity-Deformation of the Large Diameter Pile by the ABAQUS Software[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2007,3(2):306-310.

[8] 王金昌,陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應用[M].杭州:浙江大學出版社,2006:16-20.

Wang Jinchang,Chen Yekai.Application of ABAQUS in Civil Engineering[M].Hangzhou:Zhejiang University Press,2006:16-20.

[9] 白 勇,熊海超,陳 偉,等.鋼絲纏繞增強復合管的內(nèi)壓研究[J].低溫建筑技術,2015,37(5):44-46.

Bai Yong,Xiong Haichao,Chen Wei,et al.Study on the Internal Pressure of Composite Pipe Reinforced by Winding Steel Wire[J].Low Temperature Architecture Technology,2015,37(5):44-46.

[10] Xia M,Takayanagi H,Kemmochi K.Analysis of Multi-Layered Filament-Wound Composite Pipes Under Internal Pressure[J].Composite Structures,2001,53(4):483-491.

[11] Wang Wei,Chen Geng.Analytical and Numerical Modeling for Flexible Pipes[J].China Ocean Engineering,2011,25(4):737-746.

[12] Xia M,Takayanagi H,Kemmochi K.Analysis of Transverse Loading for Laminated Cylindrical Pipes[J].Composite Structures,2001,53(3):279-285.

[13] Bai Yong,Wang Yu,Cheng Peng.Analysis of Reinforced Thermoplastic Pipe(Rtp) Under Axial Loads[C]//American Society of Civil Engineers.Proceedings of International Conference on Pipelines and Trenchless Technology.New York:American Society of Civil Engineers,2012.

[14] 李又綠,姚安林,趙師平,等.爆炸載荷對埋地輸氣管道的動力響應和極限載荷分析[J].焊管,2009,32(11):63-69.

Li Youlü,Yao Anlin,Zhao Shiping,et al.Analysis on Dynamic Response and Extreme Loads of Buried Gas Pipeline Under Blast Loading[J].Welded Pipe and Tube,2009,32(11):63-69.

[15] Kruijer M P,Warnet L L,Akkerman R.Analysis of the Mechanical Properties of a Reinforced Thermoplastic Pipe(Rtp)[J].Composites:Part A Applied Science & Manufacturing,2005,36(2):291-300.

[16] Arikan H.Failure Analysis of(±55°) 3 Filament Wound Composite Pipes with an Inclined Surface Crack Under Static Internal Pressure[J].Composite Structures,2010,92(1):182-187.

[17] Xia M,Takayanagi H,Kemmochi K.Analysis of Multi-Layered Filament-Wound Composite Pipes Under Internal Pressure[J].Composite Structures,2001,53(4):483-491.

[18] 范 峰,豐曉紅.跨斷層埋地輸氣管道有限元模型建立與分析[J].天然氣與石油,2015,33(1):11-15.

Fan Feng,Feng Xiaohong.Establishment and Analysis of Finite Element Model of Buried Gas Pipeline Crossing Fault[J].Natural Gas and Oil,2015,33(1):11-15.

2016-04-18

中國石油天然氣集團公司重點工程資助項目(Z-2013-KTFB-7)

程夢鵬(1966-)，男，山東安丘人，高級工程師，碩士，從事管道應用技術研究與標準制定工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.005