王志強(qiáng)

(大慶油田工程建設(shè)有限公司, 黑龍江大慶，163416）

1 前言

目前，我國(guó)能源供給正發(fā)生深刻的變革，天然氣在我國(guó)一次能源消費(fèi)的比例持續(xù)上升，天然氣管道將迎來(lái)建設(shè)高峰期，天然氣管道正向著大口徑、高強(qiáng)度、大壁厚、高壓力方向發(fā)展，其中中俄東線管道工程已使用X80高鋼，外徑1422mm、12Mpa高壓力的天然氣管道。大口徑管道穿越水田、湖泊等水網(wǎng)地段時(shí)，由于重量大、強(qiáng)度高、外徑大，下溝過(guò)程易發(fā)生管道不穩(wěn)定等安全事故，目前主要采用沉管法，基于超靜點(diǎn)梁模型，將管道受力狀態(tài)簡(jiǎn)化為受均布載荷的梁，計(jì)算出管道的下溝長(zhǎng)度值和撓度值，判斷出管道是否具備沉管下溝條件[1],[2]。由于簡(jiǎn)化梁模型，未能對(duì)沉管下溝過(guò)程進(jìn)行定量判斷，未考慮管墩高度對(duì)下溝的影響，以及下溝后管道應(yīng)力變化情況，在下溝過(guò)程中存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文建立大口徑長(zhǎng)輸管道、現(xiàn)場(chǎng)管墩和地面等三維實(shí)體模型，對(duì)大口徑長(zhǎng)輸管道沉管下溝過(guò)程進(jìn)行非線性動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，獲得開始下溝至下溝穩(wěn)定的各階段應(yīng)力變化值，找出了應(yīng)力最大部位，對(duì)下溝過(guò)程進(jìn)行定量判斷，提高了大口徑管道沉管下溝技術(shù)能力，

2 沉管下溝力學(xué)模型建立

管道沉管下溝是在管道中心線兩側(cè)開挖管溝，利用管道自身重力作用自然降落到管溝設(shè)計(jì)標(biāo)高的過(guò)程[3]。對(duì)大口徑管道沉管數(shù)值模擬前，需要計(jì)算出管道下溝端的最小長(zhǎng)度，作為下溝過(guò)程的初始設(shè)定數(shù)據(jù)，下溝深度由非線性動(dòng)力學(xué)分析校核。根據(jù)管道外徑、屈服強(qiáng)度和單位長(zhǎng)度管道重量等參數(shù)，建立沉管下溝懸空端長(zhǎng)度力學(xué)模型。

式中，D為管道外徑，m；σ為正應(yīng)力，MPa；α為內(nèi)、外徑之比；q為單位長(zhǎng)度管道重量(N/m))。

3 沉管下溝動(dòng)力學(xué)分析

沉管下溝是一個(gè)由地面到管溝的下降過(guò)程，大位移、大變形過(guò)程，溝底邊界條件在計(jì)算開始時(shí)不給出，管道下降到溝底后，管道與溝底相互接觸后接觸面積和應(yīng)力分布隨載荷變化，因此，沉管下溝是管道非線性應(yīng)力變化的過(guò)程。以中俄東線管道工程天然氣管道φ1422×21.4mm為研究對(duì)象，首先建立管道、管墩、地面、管溝等三維實(shí)體模型，賦予管道材質(zhì)，管道彈性模量210000MPa，泊松比0.3，密度7.85×10-6Kg/mm3，屈服強(qiáng)度555MPa，管道下溝深度3.2m。管墩、地面、管溝設(shè)置為剛體材料，管墩與管道接觸。地面端管道末端設(shè)置邊界條件，軸向方向固定，其他方向自由移動(dòng)。

3.1 管道初始下落至溝底

在模型上緩慢移動(dòng)管墩，從下溝起始端按照一定的速度將管道下降到溝底，真實(shí)模擬管道在自重的載荷下，緩慢下溝的施工過(guò)程。有限元分析步設(shè)置為大位移，初始增量步設(shè)置小，最大增量步設(shè)置小，通過(guò)對(duì)每一個(gè)分析步的增量步進(jìn)行多次迭代，使每個(gè)增量步達(dá)到收斂，進(jìn)而得到該分析步的收斂解[4]。管道下溝過(guò)程中，應(yīng)力逐漸增大，到達(dá)管溝底部時(shí)，下溝過(guò)程應(yīng)力達(dá)到最大。管道的應(yīng)力、位移值如下圖1、圖2所示。

圖1 管道初始下落到溝底應(yīng)力圖

圖2 管道初始下落到溝底位移圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果所示，管道下溝深度3.2m時(shí)，管道的應(yīng)力為247MPa,最大應(yīng)力在管道的懸空段管墩處。

3.2 管道平衡應(yīng)力分析

管道初始下溝后，管道首端先到達(dá)溝底，此時(shí)管道并未達(dá)到平衡，管道在自重的載荷下從首端逐漸下降到溝底，應(yīng)力繼續(xù)增加，管溝底部為剛體結(jié)構(gòu)，下溝過(guò)程會(huì)逐漸達(dá)到平衡。管道平衡后應(yīng)力不再發(fā)生變化，此時(shí)的應(yīng)力達(dá)到最大值，如圖3、圖4所示。

圖3 管道平衡應(yīng)力值圖

圖4 管道下溝后彎曲效果圖

管道下溝達(dá)到平衡后，地面端管墩支撐管道呈向上彎曲形狀。最大的應(yīng)力出現(xiàn)在管墩處，應(yīng)力為527MPa，接近管道的屈服強(qiáng)度555MPa。利用簡(jiǎn)化的超靜定梁理論進(jìn)行沉管下溝存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該進(jìn)行修正，管道在下溝時(shí)，盡量減少管道較長(zhǎng)距離懸空，管道在土方的支撐下應(yīng)力降低了應(yīng)力，在管道下溝過(guò)程中注意。

4 工程應(yīng)用

本文技術(shù)成果在中俄東線天然氣管道工程施工中得到應(yīng)用，下溝過(guò)程中增加管道的下溝長(zhǎng)度，下溝過(guò)程中采用四臺(tái)挖掘機(jī)進(jìn)行分層開挖，形成斜向緩坡，以達(dá)到管線不存在一根管長(zhǎng)以上懸空段，增加控制管道擺動(dòng)的措施，減少管道橫向移動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力，保證了沉管下溝的施工質(zhì)量，提高了大口徑管道沉管下溝的科學(xué)性、安全性。

圖5 工程應(yīng)用效果圖

5 結(jié)論

本文采用有限元非線性動(dòng)力學(xué)對(duì)大口徑管道沉管下溝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了管道沉管下溝曲線和最大應(yīng)力點(diǎn)。管道溝底平衡后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在地面端第一個(gè)管墩處，地面端呈向上彎曲形狀，并對(duì)沉管下溝過(guò)程采取了有效的控制措施，減少了應(yīng)力集中，提高了管道沉管下溝質(zhì)量和安全性，為今后的大口徑管道沉管下溝提供指導(dǎo)。