隧道內(nèi)天然氣過江管道局部受力分析

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 蔣 雁

為了進(jìn)一步完善和優(yōu)化上海市天然氣主干管網(wǎng)，加快長(zhǎng)三角區(qū)域天然氣主干管網(wǎng)互聯(lián)互通，將實(shí)施崇明島-長(zhǎng)興島-浦東新區(qū)五號(hào)溝 LNG 站管道工程項(xiàng)目。該天然氣管道設(shè)計(jì)壓力6.0 MPa，管徑DN800，需兩次隧道穿越長(zhǎng)江，隧道長(zhǎng)度分別約為8.2 km和7.0 km。項(xiàng)目推進(jìn)中，通過對(duì)關(guān)鍵施工工藝及安全運(yùn)維技術(shù)的深入研究，如隧道內(nèi)混凝土平臺(tái)設(shè)計(jì)和施工、隧道內(nèi)充水環(huán)境下天然氣管道的抗浮設(shè)計(jì)和施工、管道的安全運(yùn)行維護(hù)、隧道的高效施工技術(shù)及工序研究等，明確施工工藝，為工程建設(shè)的順利開展提供可靠的技術(shù)保障，也將對(duì)我國超長(zhǎng)距離水底隧道的建設(shè)起到示范作用。

1 工程概況

1.1 隧道內(nèi)管道布置

根據(jù)“小直徑長(zhǎng)距離過江隧道及天然氣管道施工關(guān)鍵技術(shù)研究”及“上海市天然氣主干管網(wǎng)崇明島-長(zhǎng)興島-浦東新區(qū)五號(hào)溝 LNG 站管道工程初步設(shè)計(jì)”，本工程隧道內(nèi)管道采用一側(cè)布置，在圓隧道內(nèi)布置一根φ813的輸氣鋼管，采用支架支撐，管道上方設(shè)防浮塊，布置橫斷面如圖1。

圖1 隧道內(nèi)管道布置橫斷面

1.2 隧道內(nèi)技術(shù)措施

過江管隧道采用水作為填充物。水填充環(huán)境對(duì)管道防腐層的防水要求較高，并對(duì)管道抗浮有一定要求。通過前期課題研究，已確定隧道內(nèi)設(shè)置滑動(dòng)支架，支架間距為10 m，于隧道兩側(cè)岸上分別設(shè)置一處錨固墩。管道防浮措施選用防浮配重塊的形式，但是由于本項(xiàng)目隧道內(nèi)徑3.4 m，內(nèi)部操作空間比較小，考慮到防浮塊吊裝安裝空間和懸臂吊的吊裝重量均有設(shè)限，最終確定每10 m管道長(zhǎng)度內(nèi)設(shè)置30塊(支架兩側(cè)各 15塊)，如圖 2。防浮塊為厚度200 mm的半圓形，下部伸出管道中心線200 mm，單塊長(zhǎng)度為300 mm，單塊重量303.45 kg，見圖3。

圖3 防浮塊安裝正視

2 管道局部受力分析的計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)

管道口徑：D813×15.9 mm；

材質(zhì)：L415M直縫埋弧焊鋼管；

安裝溫度：20 ℃；

計(jì)算溫度：20 ℃；

隧道內(nèi)直管支架間距：L=10 m(滑動(dòng)支架)。

各載荷取值：

計(jì)算壓力：p1=6.0 MPa；

試壓壓力：HP=9.0 MPa(水壓試驗(yàn)時(shí))；

管道自重：W=3 063 N/m；

防浮塊重量：F1=8 921 N/m；

浮力：U1=－3 328 N/m；

水重(水壓試驗(yàn)時(shí))：WW=4 697 N/m。

2.2 CAESARⅡ應(yīng)力分析計(jì)算

通過壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件 CAESARⅡ?qū)艿肋M(jìn)行常規(guī)應(yīng)力分析，使用簡(jiǎn)單桿為最基本單元的管系模型來進(jìn)行計(jì)算。該項(xiàng)目中取三個(gè)支架的防浮塊作為基本單元，相應(yīng)的管道長(zhǎng)度為29.6 m，如圖4，按下列8種不同工況進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算：

圖4 CAESARⅡ計(jì)算管道示意

工況1：管道安裝完成后，暫不吊裝防浮塊，管道進(jìn)行水壓試驗(yàn)(載荷包括：W+WW+HP)；

工況2：管道安裝完成后，暫不吊裝防浮塊，管道通氣運(yùn)行(載荷包括：W+P1)；

工況3：僅管道安裝完成后，空管狀態(tài)(載荷包括：W)；

工況4：管道及防浮塊安裝完成，隧道內(nèi)未充水，空管狀態(tài)(載荷包括：W+F1)；

工況5：管道及防浮塊安裝完成，隧道內(nèi)充水完成，管道進(jìn)行水壓試驗(yàn)(載荷包括：W+WW+HP+U1+F1)；

工況6：管道及防浮塊安裝完成，隧道內(nèi)未充水，管道通氣運(yùn)行(載荷包括：W+P1+F1)；

工況7：管道及防浮塊安裝完成，隧道內(nèi)未充水，管道進(jìn)行水壓試驗(yàn)(載荷包括：W+WW+HP+F1)；

工況8：管道及防浮塊安裝完成，隧道內(nèi)充水完成，管道通氣運(yùn)行(載荷包括：W+P1+U1+F1)。

經(jīng)計(jì)算，一次應(yīng)力最不利工況為工況7，環(huán)向應(yīng)力為254 201.4 kPa(許用應(yīng)力415 000 kPa，滿足規(guī)范要求)。

3 ABAQUS對(duì)管道應(yīng)力的計(jì)算

由于超長(zhǎng)距離隧道內(nèi)天然氣過江管道在施工及運(yùn)行時(shí)受力情況特殊，僅對(duì)管道進(jìn)行常規(guī)的應(yīng)力分析無法校驗(yàn)其結(jié)果的準(zhǔn)確性。ABAQUS軟件被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題，通過ABAQUS對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析，可對(duì)已有計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步校核。該項(xiàng)目選取了符合管道在施工、運(yùn)行中實(shí)際產(chǎn)生的工況，應(yīng)用ABAQUS進(jìn)行簡(jiǎn)單應(yīng)力分析校核，并與CAESARⅡ計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

3.1 模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1.1 取三個(gè)支架的防浮塊進(jìn)行受力分析，其中主要觀察中間跨管道的應(yīng)力情況。模型以mm為單位，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立三維實(shí)體部件，如圖5所示：管道長(zhǎng)度30 500 mm(支座與管道接觸的環(huán)寬度為 500 mm)，管道材料為 L415M，密度為7.85×10－6kg/mm3，彈性模量 206 000 MPa，泊松比 0.3，線膨脹系數(shù) 16×10－6mm/(mm?℃)。

圖5 ABAQUS計(jì)算模型

3.1.2 計(jì)算工況的選擇

CAESARⅡ計(jì)算時(shí)共列出8種工況，按正常施工順序，會(huì)先后出現(xiàn)工況3、工況4、工況7、工況6、工況8。其中工況8為施工完成后穩(wěn)定運(yùn)行的工況，其余工況在正常的施工、運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)，計(jì)算的原因是由于在計(jì)算前管道受力情況不明確，考慮若計(jì)算得出在正常施工順序的作用下管道應(yīng)力超出許用應(yīng)力，則應(yīng)先進(jìn)行水壓試驗(yàn)，完成后在通氣運(yùn)行的工況下最后安裝防浮塊。因CAESARⅡ計(jì)算得出8種不同工況下，管道最大應(yīng)力均不超出管道材料的許用應(yīng)力范圍，故管道可按正常順序施工，不再計(jì)算分析工況1、工況2、工況5。

用ABAQUS進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，各載荷取值與CAESARⅡ一致，載荷代號(hào)也與前述一致，組合工況詳見表1。

表1 載荷組合工況

表1中，因工況3、工況8兩種工況下管道受力可判斷分別小于工況4、工況6，故不再對(duì)工況3、工況8兩種工況進(jìn)行計(jì)算。另外，隧道內(nèi)管道在施工、運(yùn)行過程中不受風(fēng)荷載，管道的抗震設(shè)計(jì)在管道整體受力分析中另行計(jì)算，本次分析計(jì)算中不再考慮風(fēng)和地震的作用。

3.1.3 應(yīng)力分析

首先創(chuàng)建 4個(gè)載荷：①管道自重+防浮塊重量11 984 N/m；②試驗(yàn)水壓9.0 MPa(內(nèi)壓)；③試壓水重4 697 N/m；④管道運(yùn)行氣壓6.0 MPa(內(nèi)壓)。然后根據(jù)施工進(jìn)程，創(chuàng)建3個(gè)可能產(chǎn)生最不利應(yīng)力的分析步：

(1) 管道安裝完成后，在管道上添加防浮塊，施加載荷①，即管道自重+防浮塊重量，受力情況與CAESARⅡ計(jì)算時(shí)的工況4相同。

(2) 管道及防浮塊安裝完成后充水試壓，施加載荷①、載荷②、載荷③，即管道自重+防浮塊重量+水壓試驗(yàn)，受力情況與CAESARⅡ計(jì)算時(shí)的工況7相同。

(3) 管道及防浮塊安裝完成后充氣運(yùn)行，施加載荷①及載荷④，即管道自重+防浮塊重量+氣壓運(yùn)行，受力情況與CAESARⅡ計(jì)算時(shí)的工況6相同。

設(shè)置邊界條件：根據(jù)滑動(dòng)支座特性，支座放在隧道內(nèi)平臺(tái)上，與平臺(tái)上鋼板無連接，左右有限位角鋼焊接于平臺(tái)上，防止支座在管道環(huán)向出現(xiàn)位移，故支座實(shí)體部件在Y的負(fù)方向、X的正負(fù)方向有限位約束(因支座在管道的徑向無約束，管道與支座之間無相對(duì)位移)。

經(jīng)計(jì)算，各工況下管道應(yīng)力結(jié)果分別見圖6、圖7和圖8(變形顯示為實(shí)際變形的200倍)。

圖6 工況4應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖7 工況7應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖8 工況6應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

工況4管道受力為2.92 ～33.45 MPa之間，工況7受力在5.688 ～254.7 MPa之間，工況6受力在3.421 ～175.1 MPa之間，每個(gè)工況的受力較小處均在受支座約束的500 mm寬度范圍內(nèi)。三種受力工況中，應(yīng)力最不利工況出現(xiàn)在工況 7(即管道自重+防浮塊重量+水壓試驗(yàn))中，最大應(yīng)力為254.7 MPa，出現(xiàn)在管道支座邊緣，與CAESARⅡ的計(jì)算結(jié)果相符。

4 結(jié)語

在管道實(shí)際應(yīng)力工況下，選取幾個(gè)可能產(chǎn)生最不利應(yīng)力的工況，通過ABAQUS軟件對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行校核。經(jīng)過計(jì)算，“管道自重+防浮塊重量+水壓試驗(yàn)”工況下管道所受應(yīng)力最大，為254.7 MPa，與CAESARⅡ應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果中“一次應(yīng)力最不利工況為工況7、最大應(yīng)力為254.2 MPa”的結(jié)果相一致，均在管道材料的許用應(yīng)力 415 MPa范圍內(nèi)。

通過CAESARⅡ和ABAQUS兩個(gè)不同計(jì)算軟件對(duì)管道應(yīng)力的計(jì)算，得出一致的結(jié)果，可驗(yàn)證計(jì)算的模型、參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性，確保天然氣過江管道在增加大量防浮配重塊后的管道強(qiáng)度能滿足許用應(yīng)力的要求。