熱力耦合作用下直埋熱力管道破裂的有限元分析

何碩,陳艷華,朱慶杰

(河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北唐山063000)

熱力耦合作用在實(shí)際工程中廣泛存在,例如熱力機(jī)械,稠油熱采,熱力管道等。熱力管網(wǎng)作為城市生命線工程的重要組成之一,其在熱力耦合作用下的破裂及泄露直接影響著人們的日常生活。熱力管道有多種敷設(shè)方式,其中直埋敷設(shè)具有占地面積少,施工周期短,維護(hù)量小,熱損失少的優(yōu)點(diǎn)。隨著城市化進(jìn)程的加快,作為供熱節(jié)能的有效措施之一,熱力管網(wǎng)直埋形式的采用越來越廣泛,同時(shí)它的破裂機(jī)理也越來越得到研究人員的關(guān)注[1-4]。

由于管道自身特征、流體特征、場地條件、施工質(zhì)量等多方面因素的影響[5],使得綜合考慮多種影響因素開展熱力管道的破裂預(yù)測(cè)成為今后研究的一大趨勢(shì)。從查閱的文獻(xiàn)來看,國內(nèi)外對(duì)直埋熱力管道破壞情況已做了大量的研究,但考慮斷層和熱力耦合這兩個(gè)因素的并不多。本課題將運(yùn)用ADINA軟件,著重分析斷層和熱力耦合作用對(duì)直埋熱力管道破裂的影響,為預(yù)防管道破壞及破壞后的損失評(píng)估提供依據(jù)。

1 有限元建模

1.1 結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)管道工作的實(shí)際環(huán)境,采用parasolid建模的方法建立結(jié)構(gòu)模型。研究的整體結(jié)構(gòu)模型選取7m ×10m×8m,假設(shè)場地為雙層結(jié)構(gòu),上層為土壤,下層為基巖,同時(shí)有斷層切斷場地巖土層,管道跨越斷層敷設(shè)。于是得到幾何模型如圖1所示:

在ADINA模型中的材料必須是隨溫度可變的,此外溫度的限定必須是來源于文件。通過選擇control→M iscellaneous File I/O,把“Temperature”設(shè)置為“Date Read from File”進(jìn)行設(shè)定。

1.2 熱力模型

圖1 幾何模型

熱力幾何模型必須與結(jié)構(gòu)幾何模型保持高度一致,并保證網(wǎng)格劃分和單元組的一致性,即點(diǎn)擊M eshing按鈕,選擇“Copy F.E.M odel…”選項(xiàng),選擇“Copy F.E.Model from ADINA Strcutures to ADINA Thermal Model”,將整個(gè)模型拷貝到熱力模型中,得到熱力模型的幾何模型,并賦予模型各項(xiàng)材料性能。將熱力模型的分析類型設(shè)為瞬態(tài)分析,時(shí)間步長與計(jì)算時(shí)長應(yīng)與結(jié)構(gòu)模型保持一致。

2 參數(shù)選擇與求解控制

模擬實(shí)際情況,管道選用熱塑性材料,土體選用熱各向同性材料,各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 材料性能

刪去多余的自由度,不考慮扭轉(zhuǎn)作用,只考慮X-T ranslation、Y-T ranslation、Z-T ranslation?？紤]材料為非線性,計(jì)算時(shí)設(shè)定為大變形分析。

3 約束和荷載

斷層的運(yùn)動(dòng)是斷層兩盤的運(yùn)動(dòng),考慮一盤相對(duì)靜止,令一盤相對(duì)該盤運(yùn)動(dòng),模擬實(shí)際情況,將斷層下盤基巖的下表面全部固定。主要考慮斷層位移,重力荷載、溫度荷載和管道內(nèi)力,斷層位移在結(jié)構(gòu)模型中施加,沿?cái)鄬觾A向,管道壓力取2MPa,施加在管道內(nèi)壁。溫度荷載在熱力模型中施加,初始溫度設(shè)為20℃,施加在管道內(nèi)壁。

4 網(wǎng)格劃分及熱力耦合求解

為確保計(jì)算能順利進(jìn)行,結(jié)構(gòu)模型與熱力模型的單元?jiǎng)澐趾途W(wǎng)格劃分應(yīng)保持一致。土體選用4節(jié)點(diǎn)、管道采用8節(jié)點(diǎn)劃分網(wǎng)格。單元組參數(shù)見表2。

表2 單元組參數(shù)

模型單元剖分如圖2所示:

圖2 模型單元剖分圖

在結(jié)構(gòu)模型中設(shè)置步增量和載荷步,進(jìn)而分析管道在熱力耦合作用下的變形情況,得出熱力耦合作用對(duì)管道的影響,生成ADINA-S文件并保存。在熱力模型中,將分析類型設(shè)置為瞬態(tài),步長與結(jié)構(gòu)模型保持一致,生成ADINA-T文件并保存。啟用熱力耦合求解器,打開以上生成的兩個(gè)文件,進(jìn)行熱力耦合分析計(jì)算,進(jìn)入后處理模塊,讀取結(jié)果。

5 結(jié)果分析

對(duì)不同荷載組合下管道的變形情況、溫度變化、受力情況進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3～8所示。

圖3 管道的位移云圖

由管道位移圖可知,管道的相對(duì)最大位移發(fā)生在斷層處,斷層的運(yùn)動(dòng)是影響管道破壞的主要因素之一。

圖4 地層溫度云圖

由地層溫度云圖及管道溫度云圖可知,最大溫度發(fā)生在管道上,溫度沿管道成放射狀分布,且距離管道越遠(yuǎn)溫度值越小。

圖5 管道剪力時(shí)程曲線

圖6 管道環(huán)向應(yīng)力時(shí)程曲線

圖7 管道軸向應(yīng)力時(shí)程曲線

圖8 管道位移時(shí)程曲線

6 小 結(jié)

在影響直埋熱力管道破裂的諸多因素中,斷層及管道內(nèi)介質(zhì)溫度對(duì)管道破壞的影響不容忽視。由此提出兩點(diǎn)建議:

(1)管道埋設(shè)應(yīng)盡量避開跨越斷層的區(qū)域,如無法避開,應(yīng)在管道與斷層交接處做一些特殊處理,如做成預(yù)應(yīng)力拱梁,從而減小斷層活動(dòng)對(duì)管道造成的破壞。

(2)由于溫度的變化而引起的熱脹冷縮直接導(dǎo)致了管道剪力、軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變的變化,隨著溫度的升高,管道的位移、軸向應(yīng)變、剪力均呈增大的趨勢(shì),環(huán)向應(yīng)變呈減小趨勢(shì)。因此在選材上應(yīng)選擇彈性模量較大的材料,在施工過程中應(yīng)給管道施加反變形,盡量減少熱力耦合作用對(duì)管道的影響。

[1] 陳庭耀.直埋供熱管道優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤氣與熱力.1988(3):55～58.

[2] 屠傳珍,林乘方.預(yù)制保溫管直埋敷設(shè)的設(shè)計(jì)[J].煤氣與熱力,1990(2):46～50.

[3] 王進(jìn)忠.直埋供熱管網(wǎng)熱脹內(nèi)力計(jì)算[J].煤氣與熱力,1990(4):40～46.

[4] 徐寶平,孫樹林.供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)的探討[J].煤氣與熱力,1999(2)61～64.

[5] 洪學(xué)娣,商永鵬.淺析直埋熱力管道泄漏的主要原因[J].山西建筑,2009,35(1):196～197.