水平定向穿越大口徑管道起吊仿真分析

孫 凱， 鄒 春， 付必偉

(1.中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南 濮陽 457001； 2.中石化中原油田分公司濮東采油廠，河南 濮陽 457001； 3.長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

0 引言

大口徑管道水平定向穿越工程中，管道安全回拖是管道鋪設(shè)工程成功的標(biāo)志。在管道回拖前需要控制管道的入土角度，保證管道入土角度與井眼傾角一致[1-12]。如果管道軸線與井眼軸線之間存在很大的夾角，當(dāng)管道入土?xí)r就會與套管發(fā)生刮擦、癟管等情況，造成管壁磨損，甚至是變形等事故，同時管道的回拖阻力也會急劇增大，造成管道回拖失敗，進而帶來巨大的經(jīng)濟損失[13-17]。如圖1所示，在吊裝作業(yè)中如果吊點設(shè)置位置不當(dāng)，容易導(dǎo)致管道在起吊點處的應(yīng)力集中，造成管道發(fā)生塑性變形。因此，在管道回拖前，必須分析吊點位置對吊裝作業(yè)過程中管道力學(xué)性能的影響，設(shè)計適合的吊點位置保證管道安全進入井眼。

1 有限元模型

1.1 模型簡化

圖2為當(dāng)管道起吊使管道前段軸線與套管軸線保持一致時的管道起吊示意圖。此時管道前段長為L1，吊點1和吊點2之間的管道長為L2；吊點1的高度為H1，吊點2的高度為H2；管道入土角為β；管道支撐點處至管道前段的管道長度為L。施工過程表明吊點位置對管道起吊過程中的力學(xué)特性有很大的影響，為此研究這些吊點位置對管道起吊過程中的力學(xué)性能影響，可設(shè)計合理的起吊參數(shù)，對于管道安全回拖具有重要的意義。

由管道起吊施工工藝可知，管道在起吊過程中的受力主要包括：管道自身重力；A點對管道的支撐力；吊點1和吊點2對管道的拉力F1和F2；鉆桿對管道到產(chǎn)生的拉力T。起吊過程中由于管道足夠長在后段重力作用下，管道懸空長度一定，始終會存在一點與支撐體接觸，令此臨界點為A點[18]。分析中假設(shè)L足夠大，使管道在起吊過程中A點始終與支撐體接觸，此時A點處的撓度及起吊引起的轉(zhuǎn)角為零，為此可將其簡化為懸臂梁模型。

圖2管道起吊示意圖
Fig.2Diagram of pipeline lifting

起吊過程中由于管道足夠長在后段重力作用下，管道懸空長度一定，不可能全部脫離支撐點，則始終會存在一點與支撐體接觸，分析中令該點為O點。并且后文中對管道起吊進行模擬仿真驗證，由此在材料力學(xué)的基礎(chǔ)上將管道起吊模型簡化為如圖3所示的受力模型。為便于分析將管道分為AB、BC、CD三段，由撓度線性疊加原理可知，管道前端撓度及轉(zhuǎn)角主要受2個方面的影響：(1)重力作用引起管道變形；(2)集中載荷引起管道變形。

圖3 管道起吊受力分析Fig.3 Force analysis of pipeline lifting

1.2 有限元仿真模型

管道起吊作業(yè)就是通過調(diào)節(jié)兩吊點的位置以及管道前段的拉力大小，使入土段管道軸線與套管軸線的夾角盡可能小，防止管道與套管或鉆孔孔壁發(fā)生碰撞或癟管事故。同時在起吊作業(yè)過程中使管道應(yīng)力盡可能小，不能超過管道能承受的屈服極限應(yīng)力值，保證管道安全回拖。吊點1和吊點2的位置是相互關(guān)聯(lián)的，即當(dāng)?shù)觞c1位置確定后，吊點2與吊點1之間存在一個最佳間距與高度差保證管道能安全起吊達到理想入土狀態(tài)。圖4為建立的管道起吊有限元模型，分析中采用了橫梁吊具替代兩個獨立的吊點。因為吊具起吊也能保證吊點對管道的作用力始終豎直向上與兩個獨立吊點作用效果一樣，因此得到合理的吊具長度就可以得到兩個吊點之間的合理間距，并且在分析中吊具能根據(jù)受力狀態(tài)調(diào)節(jié)兩個吊點的高度，因此利用橫梁吊具代替獨立的吊點是合理的。

圖4 管道起吊有限元計算模型Fig.4 Finite element model for pipeline lifting

1.3 材料參數(shù)設(shè)置

管道材料為X80，管道規(guī)格為?1016 mm×30 mm，材料參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

表1 彈性階段材料參數(shù)Table 1 Material parameters at the elastic stage

表2 塑性階段材料應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)Table 2 Material stress-strain data at plastic stage

1.4 邊界條件設(shè)置

如圖5所示為模型約束條件和邊界條件設(shè)置情況，根據(jù)前面的理論分析將支撐體與管道末端采用固定約束，管道本身施加均布重力載荷。分析步Step-1中吊具與參考點RP采用完全耦合約束，并施加豎直向上的微小位移載荷，使吊點與管道接觸；分析步Step-2中固定RP-1，給管道前端RP-2施加豎直向下的位移載荷h=Ltanβ，保證管道前端軸線與水平線之間夾角的大小與入土角一致。

圖5 管道起吊約束條件及邊界條件Fig.5 Restraint conditions and boundary conditions for pipeline lifting

2 管道起吊力學(xué)仿真分析

2.1 吊點參數(shù)對管道應(yīng)力分布規(guī)律影響

如圖6所示，管道長度為120 m時管道起吊應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出管道左端應(yīng)力基本無變化，因此左端產(chǎn)生的應(yīng)力可以看成只受管道重力作用，而管道起吊對管道左端應(yīng)力影響基本可以忽略不計，這與前文中的理論分析結(jié)果一致。圖中還可以看出管道應(yīng)力在吊點1處比較集中，吊點1的高度也明顯高于吊點2。該計算結(jié)果與文獻[10]中的理論分析結(jié)果一致，因此使用該有限元模型進行起吊過程中的管道力學(xué)分析結(jié)果可信。

圖6 管道應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress distribution of the pipeline

圖7為不同入土角度下，管道起吊應(yīng)力分布云圖。從圖7(a)中可以看到吊點1是管道應(yīng)力集中最明顯的位置，與(b)(c)(d)對比可以看出隨著入土角的增大應(yīng)力集中區(qū)域逐漸向吊點2擴散。管道與吊點之間的接觸應(yīng)力隨入土角的增大而增大，并且當(dāng)入土角>14°后管道出現(xiàn)彎曲屈服現(xiàn)象。因此，當(dāng)管道前端為10 m時，入土角度最好不超過14°。

圖7 不同入土角度下管道應(yīng)力分布云圖Fig.7 Stress distribution of pipelines at different entry angles

圖8是相同吊點間距，入土角度為10°，吊點2與管道前端間距不同時的管道應(yīng)力分布情況。從圖(a)中可以看出管道應(yīng)力在吊點1處應(yīng)力集中現(xiàn)象最嚴(yán)重。由(a)(b)(c)(d)(e)5幅圖中顯示吊點2離管頭的距離L1越大，管道應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，并且管道應(yīng)力集中區(qū)域分布在吊點1和吊點2之間。由管道最大應(yīng)力值變化可以得到，當(dāng)?shù)觞c2與管頭的距離<15 m后應(yīng)力降低幅度增大。進一步分析計算發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道前端長度L1≤8 m后，在相同條件下，起吊過程中管道會產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。所以當(dāng)入土角為10°時，吊點2的最佳位置L1為10～15 m。

圖8 吊點2與管頭間距不同時管道應(yīng)力分布云圖Fig.8 Stress distribution of pipelines at different spacings between lifting point 2 and the pipe head

圖9是入土角β為10°，L1=10 m時，不同吊點間距下管道應(yīng)力分布云圖。圖(a)～(j)顯示隨著吊點間距增加，兩個吊點間的管道最大集中用力逐漸減小。當(dāng)兩吊點之間的間距L2>26 m，管道與吊點的接觸應(yīng)力逐漸增大。因此，當(dāng)?shù)觞c2位置確定后，兩個吊點之間的距離存在最佳的范圍保證管道能安全起吊。通過分析發(fā)現(xiàn)入土角β為10°，L1=10 m時，吊點間距的最佳范圍為22～26 m。

2.2 管道前端長度對其應(yīng)力分布的影響

圖10是管道最大應(yīng)力隨吊點間距增大的變化曲線。從圖中可以看出隨著吊點間距增大，管道起吊產(chǎn)生的最大應(yīng)力逐漸減小，在L2≤20 m時吊點間距對管道應(yīng)力影響較?。籐2>20 m時隨吊點間距的增大，管道最大應(yīng)力降幅增大，隨著吊點間距的繼續(xù)增大，管道應(yīng)力又趨于平穩(wěn)并在L2>26 m時出現(xiàn)應(yīng)力反彈現(xiàn)象。并且5種情況管道最大應(yīng)力變化規(guī)律基本相似，圖中可以直觀看出入土角β=10°時，吊點間距L2的合理范圍為22～26 m，在L1=10 m時管道最大應(yīng)力明顯要小于其余4種情況。所以當(dāng)入土角β=10°時，吊點間距合理范圍為22～26 m，吊點距管頭長度L1=10 m。

由于上面分析中，吊點2距管道間距為20 m和25 m的兩種情況，管道最大應(yīng)力隨吊點間距增大持續(xù)減小，為此還需進一步加大吊點間距，分析它對管道最大應(yīng)力的影響，從而獲得最佳的吊點間距。計算結(jié)果如圖11所示，圖中顯示當(dāng)L2≥30 m后管道最大應(yīng)力值出現(xiàn)回升現(xiàn)象，所以這兩種情況下吊點間距的合理范圍為26～30 m。

圖12為不同L1下吊點高度差與吊點間距之間的關(guān)系曲線。從曲線上可以看出高度差隨吊點間距的增大而增大，并且基本表現(xiàn)為線性關(guān)系。管端長度為10 m時兩吊點之間的高度差明顯要小于其余4組。

2.3 吊點間距對管道應(yīng)力分布的影響

圖13～15是入土角度為12°、14°和16°時，管道最大應(yīng)力隨管道前端長度L1增大的變化情況。圖中顯示入土角相同的情況下，管道最大應(yīng)力隨L1增大而增大，吊點間距從22 m到24 m的過程中，管道最大應(yīng)力明顯降低。圖中還可以看出管道前端長度L1超過10 m后，管道應(yīng)力快速增大，因此管道前端長度設(shè)置為10 m較為合理。

2.4 入土角對管道應(yīng)力分布的影響

圖16、圖17、圖18是不同入土角情況下，管道最大應(yīng)力與L1的關(guān)系曲線。圖16中顯示除了入土角度為10°，吊點間距為22 m時起吊應(yīng)力未超過管道的許可應(yīng)力外，其他情況下管道的起吊應(yīng)力均超過了管道的屈服極限，而隨著吊點間距的增加其他3種情況的最大應(yīng)力也逐漸減小。所以不同入土角度對應(yīng)的合理吊點位置不同，因此還需進一步對不同入土角下的合理吊點間距確定進行分析。

圖9不同吊點距離下管道應(yīng)力分布云圖
Fig.9Stress distribution of pipeline at different distances between the lifting points

圖10 管道最大應(yīng)力變化曲線Fig.10 Maximum stress curve of the pipeline

為了便于施工過程中吊點位置的定位，對不同入土角度合理吊點位置的確定進行了研究，計算結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示入土角度為12°和14°時，以管道應(yīng)力未超過屈服極限為標(biāo)準(zhǔn)，得到對應(yīng)的合理吊點間距分別為28～36、30～36 m。并且入土角度>14°后管道起吊很容易造成管道損壞，建議入土角度最好不超過14°。

圖11 管道最大應(yīng)力變化曲線Fig.11 Maximum stress curve of the pipeline

圖12 吊點高度差與吊點間距關(guān)系曲線Fig.12 Lifting point height vs lifting point spacing curve

圖13 入土角為12°Fig.13 Entry angle at 12 degrees

圖14 入土角為14°Fig.14 Entry angle at 14 degrees

圖15 入土角度為16°Fig.15 Entry angle at 16 degrees

3 結(jié)論

綜上所述，對吊點位置優(yōu)化的分析計算可以得到如下結(jié)論：

圖16 吊點間距22 mFig.16 Spacing of the lifting points at 22m

圖17 吊點間距24 mFig.17 Spacing of the lifting points at 24m

圖18 吊點間距26 mFig.18 Spacing of the lifting points at 26m

表3 管道最大應(yīng)力值MPa

當(dāng)?shù)觞c位置確定后管道應(yīng)力隨入土角度的增大而增加；入土角一定時，管道應(yīng)力隨吊點2與管頭距離L1的增大而增大；入土角、吊點2與管頭距離一定時，隨吊點間距增大，管道應(yīng)力先減小后增大。

通過對不同入土角度，吊點位置對?1016 mm×30 mm的管道應(yīng)力計算分析得到：管端長度為10 m，入土角為10°時，兩吊點的許用間距22～26 m；入土角為12°時，兩吊點的許用間距28～36 m；入土角為14°時，兩吊點的許用間距30～36 m；入土角為16°時，管道應(yīng)力基本超出了管道的屈服應(yīng)力，建議管道入土角度最好不超過16°。