都成軍

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)華北天然氣管道有限公司，天津 300450)

0 引言

長(zhǎng)輸油氣管道在敷設(shè)施工過(guò)程中會(huì)遇到河流、公路以及鐵路等障礙物，當(dāng)其跨越距離短且不能采用定向鉆等穿越方式時(shí)，工程上采用圓弧拱形跨越方式，跨越形式簡(jiǎn)單且能夠有效利用管道自身強(qiáng)度。但由于受地形地貌等影響，很難對(duì)拱形跨越管道進(jìn)行有效安全檢查，從而存在安全隱患。因此，研究拱形跨越管道的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，找出拱跨危險(xiǎn)區(qū)，對(duì)管道的安全運(yùn)行具有重要意義。

學(xué)者對(duì)拱形跨越管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估進(jìn)行了研究。在一定溫度范圍內(nèi)，屠洪權(quán)等[1]提出了大口徑大跨度拱形管道的相對(duì)最佳矢跨比值。許紅勝等[2]給出了拱形管道各主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性影響的變化趨勢(shì)圖，有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)。于洋等[3]采用ANSYS軟件重點(diǎn)分析溫度變化對(duì)拱形管道跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性的影響。考慮存在內(nèi)壓、溫度、風(fēng)載荷及自重時(shí)的非平面彈性大變形問(wèn)題，張慧敏等[4]通過(guò)打靶法求出圓弧拱跨越管道力學(xué)特性的非平面邊值問(wèn)題的數(shù)值解?；跊Q定管道跨度的強(qiáng)度條件和剛度條件計(jì)算公式，鄭彥淵[5]簡(jiǎn)要分析了3種增大管道跨度的方法(加大管徑和壁厚，增強(qiáng)加強(qiáng)板，采用拱形管)。此外，拱形跨越在實(shí)際工程中的應(yīng)用也得到了廣泛的研究[6-8]。

本文以拱形跨越管道為研究對(duì)象，采用ABAQUS軟件建立腐蝕、凹陷以及極限3種工況下拱形跨越管道有限元模型，基于數(shù)值模擬結(jié)果表明不同工況下拱跨管道最大Mises應(yīng)力和變形的產(chǎn)生位置，有效判斷其強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否滿足要求。

1 拱跨管道有限元模型

拱形跨越管道通常將等截面無(wú)縫管道做成圓弧形拱，同時(shí)將兩端放于受推力的基座或支架上，致使管道結(jié)構(gòu)自身承載。本文采用ABAQUS軟件建立考慮凹陷和腐蝕缺陷的拱形跨越管道有限元模型(圖1)，該模型主要包括：拱形管道模型、管道局部凹陷模型以及腐蝕模型，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)考慮管道運(yùn)行內(nèi)壓、管道自重、溫度荷載、風(fēng)荷載以及地震荷載等影響，不考慮初始應(yīng)力等影響。

圖1 拱形跨越管道ABAQUS有限元模型

1.1 拱形管道模型

長(zhǎng)輸油氣管道一般采用鋼管進(jìn)行長(zhǎng)距離油氣輸送。在建模過(guò)程中，考慮腐蝕缺陷的存在，采用八節(jié)點(diǎn)線性減縮積分三維應(yīng)力單元對(duì)管道進(jìn)行模擬，便于構(gòu)建管道局部腐蝕模型，進(jìn)而開(kāi)展拱形跨越管道腐蝕缺陷分析。假設(shè)管道內(nèi)壓作用在管道內(nèi)沒(méi)有壓力損失，同時(shí)忽略管道熱損失。

1.2 管道局部凹陷模型

基于三維掃描儀獲取管道凹陷信息，采用逆向工程技術(shù)擬合完整管道外表面模型，建立完整凹陷管段，進(jìn)而導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。為了保障凹陷管道與無(wú)缺陷管段分析模型的連續(xù)性，可在兩者間建立綁定約束；也可在三維軟件進(jìn)行幾何操作或有限元分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格操作，建立連續(xù)網(wǎng)格模型。圖2和圖3分別為三維掃描儀獲取的凹陷圖形和基于逆向擬合技術(shù)得到的管道表面凹陷模型。

圖2 管道凹陷三維掃描曲面

圖3 逆向擬合凹陷模型

1.3 模型施加荷載

針對(duì)拱形跨越管道模型，其荷載主要包括：永久載荷，包括管道自重及輸送介質(zhì)重量；可變載荷，包括風(fēng)荷載以及溫度載荷；內(nèi)部介質(zhì)壓力，包括正常使用壓力和試驗(yàn)壓力；偶然載荷，即地震載荷。

1.4 模型邊界條件

由于圓拱形跨越管道在基座處埋地，但周圍土地與埋地段管道之間發(fā)生相互摩擦和擠壓，對(duì)圓拱拱腳約束并非完全固定，因此約束拱腳3個(gè)方向上的位移以及軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 拱跨管道失效標(biāo)準(zhǔn)

2.1 強(qiáng)度校核

拱形跨越管道強(qiáng)度σ按式(1)進(jìn)行校核：

σ≤Fσs

(1)

式中:σs為管道材料屈服強(qiáng)度；F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)GB/T 50459—2017《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》查表得到。

2.2 變形校核

GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，樓蓋主梁變形允許值為跨度的1/400。同時(shí)，06S506-2《自承式圓弧形架空鋼管(國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集)》規(guī)定：管道出拱平面水平位移允許值不能超過(guò)跨長(zhǎng)的1/250。

3 算例分析

3.1 模型參數(shù)

基于拱形跨越管道工況進(jìn)行案例分析，圓拱跨度為80 m，矢跨比為1/4，矢高為20 m，管道公稱直徑為800 mm，管壁厚度為16 mm，設(shè)計(jì)壓力為6 MPa，根據(jù)GB/T 50459—2017規(guī)定試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，即試驗(yàn)壓力為9 MPa，管內(nèi)運(yùn)輸介質(zhì)為水。管材采用X65鋼，屈服應(yīng)力為450 MPa，外徑508 mm，壁厚11.9 mm，彈性模量206 GPa，密度7 850 kg/m3,泊松比0.3，熱膨脹系數(shù)0.000 012。溫度荷載為±30 ℃，風(fēng)荷載為0.4 kN/m2，地震荷載為0.4g。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 腐蝕工況

腐蝕缺陷將不同程度地影響管道的性能和正常運(yùn)行，運(yùn)用ABAQUS軟件開(kāi)展腐蝕管道的數(shù)值模擬，有助于直觀反映腐蝕對(duì)管道性能的影響。該模型將腐蝕形狀簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，選取腐蝕尺寸為250 mm×150 mm×1 mm，腐蝕位置位于圓拱拱頂，如圖4所示。

(a)渲染模型

圖5和圖6分別為腐蝕工況下拱形跨越管道整體應(yīng)力云圖和拱腳局部應(yīng)力云圖。從圖5中可以看出，拱形跨域管道最大Mises應(yīng)力為218.9 MPa，出現(xiàn)在拱腳處，小于許用應(yīng)力[σ]=0.55×450=247.5 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；拱頂腐蝕區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象(圖7)，腐蝕區(qū)最大Mises應(yīng)力為149.8 MPa，遠(yuǎn)大于拱頂其他區(qū)域應(yīng)力。當(dāng)管道腐蝕過(guò)于嚴(yán)重時(shí)，可能由于腐蝕導(dǎo)致最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在該區(qū)域。如圖8和圖9所示，腐蝕工況下拱形跨越管道最大平面內(nèi)豎向位移和最大平面外水平位移都發(fā)生在跨中位置，分別為0.054 7 m和0.127 5 m。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和06S506-2《自承式圓弧形架空鋼管》規(guī)定，最大平面內(nèi)豎向位移0.054 7 m小于許用撓度L/400=0.2 m，且最大平面外水平位移0.127 5 m小于許用值L/250=0.32 m，都滿足變形穩(wěn)定性要求。

圖5 腐蝕工況下拱跨管道應(yīng)力云圖

圖6 腐蝕工況下拱跨管道拱腳應(yīng)力云圖

圖7 腐蝕點(diǎn)局部放大圖

圖8 腐蝕工況下拱跨管道豎向位移

圖9 腐蝕工況下拱跨管道平面外水平位移

3.2.2 凹陷工況

凹陷可能引起管道局部應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致其承載能力下降，同時(shí)也為管道正常運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。以某管線凹陷掃描數(shù)據(jù)建立凹陷拱形跨越管道有限元模型，選取拱頂為凹陷區(qū)域，研究凹陷對(duì)拱形跨越管道性能的影響。圖10和圖11分別為凹陷工況下拱形跨越管道整體應(yīng)力云圖和凹陷局部應(yīng)力云圖。從圖10中可以看出，拱形跨域管道最大Mises應(yīng)力為490.6 MPa，出現(xiàn)在拱頂凹陷區(qū)，大于屈服應(yīng)力(450 MPa)，可見(jiàn)該區(qū)域管道已發(fā)生塑性變形；拱頂凹陷邊緣區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象(圖11)，遠(yuǎn)大于凹陷其他區(qū)域應(yīng)力。由此可見(jiàn)，凹陷對(duì)管道應(yīng)力和強(qiáng)度具有顯著影響。如圖12和圖13所示，凹陷工況下拱形跨越管道最大平面內(nèi)豎向位移和最大平面外水平位移都發(fā)生在跨中位置，分別為0.057 2 m和0.227 7 m。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和06S506-2《自承式圓弧形架空鋼管》規(guī)定，最大平面內(nèi)豎向位移0.057 2 m小于許用撓度L/400=0.2 m，且最大平面外水平位移0.227 7 m小于許用值L/250=0.32 m，都滿足變形穩(wěn)定性要求。

圖10 凹陷工況下拱跨管道應(yīng)力云圖

圖11 凹陷工況下拱跨管道拱腳應(yīng)力云圖

圖12 凹陷工況下拱跨管道豎向位移

圖13 凹陷工況下拱跨管道平面外水平位移

3.2.3 極限工況

地震不僅直接破壞輸氣管道的正常使用功能，而且還可能產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害。模型以地震荷載代替結(jié)構(gòu)在地震強(qiáng)迫振動(dòng)下的激勵(lì)外因，采用靜力理論對(duì)地震載荷進(jìn)行模擬分析，不考慮建筑物的動(dòng)力特性。圖14和圖15分別為極限工況下拱形跨越管道整體應(yīng)力云圖和拱腳局部應(yīng)力云圖。從圖14中可以看出，拱形跨域管道最大Mises應(yīng)力為219.0 MPa，出現(xiàn)在拱腳處，小于許用應(yīng)力[σ]=0.55×450=247.5 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。如圖16和圖17所示，極限工況下拱形跨越管道最大平面內(nèi)豎向位移和最大平面外水平位移分別位于跨中位置與拱腳位置，分別為0.054 3 m和0.150 8 m。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和06S506-2《自承式圓弧形架空鋼管》規(guī)定，最大平面內(nèi)豎向位移0.054 3 m小于許用撓度L/400=0.2 m，且最大平面外水平位移0.150 8 m小于許用值L/250=0.32 m，都滿足變形穩(wěn)定性要求。

圖14 極限工況下拱跨管道應(yīng)力云圖

圖15 極限工況下拱跨管道拱腳應(yīng)力云圖

圖16 極限工況下拱跨管道豎向位移

圖17 極限工況下拱跨管道平面外水平位移

4 結(jié)論

本文通過(guò)ABAQUS軟件建立考慮管道運(yùn)行內(nèi)壓、管道自重、溫度荷載以及風(fēng)荷載的拱形跨越管道有限元模型，分析了腐蝕、凹陷以及極限3種工況下拱跨管道力學(xué)性能和變形特征。基于數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)腐蝕工況或極限工況下，拱跨管道最大Mises應(yīng)力均發(fā)生在拱腳處；凹陷工況下，拱跨管道最大Mises應(yīng)力發(fā)生在凹陷區(qū)域。此外，拱形跨越管道的最大平面內(nèi)豎向位移和最大平面外水平位移分別位于跨中位置與拱腳位置。