應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控技術(shù)在某水毀治理工程中的應(yīng)用

陳紅霞，馬廷霞，朱亞明，謝娜娜，張 瑜

西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 （四川 成都 610500）

管道作為流體物料輸送的一種特種設(shè)備，在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中起著重要的作用，成為現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鄉(xiāng)人民生活的大動(dòng)脈[1]。除公路、鐵路、水運(yùn)和航空以外,它是現(xiàn)代生產(chǎn)的第五大運(yùn)輸方式,在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)著重要的地位[2]。我國地域遼闊，地貌形勢多樣，長輸管道不可避免地要穿越河流、湖泊等水文活動(dòng)地域。在長期服役過程中，若河床變化較為劇烈或遇大型洪水，水流沖刷可能造成管道裸露和漂浮[3]。本例為敷設(shè)在河漫灘土體下的管道，受水流沖刷易造成覆蓋層減薄、裸露甚至懸空，從而出現(xiàn)較大的位移應(yīng)力、屈曲或蠕變，甚至發(fā)生管道斷裂破壞[4]。因此，對潛在危險(xiǎn)段管道進(jìn)行監(jiān)測與維護(hù)十分重要。漂管沉降技術(shù)以其施工簡單、造價(jià)低、工期短、經(jīng)濟(jì)效益顯著、不破壞農(nóng)田的優(yōu)點(diǎn)適用于南方及沿海地區(qū)大中型河流的管道穿越[5]。但管道沉降技術(shù)的實(shí)施過程會(huì)使管道處于復(fù)雜的受力以及變形情況之中，具有一定的危險(xiǎn)性。由馬廷霞教授發(fā)明的應(yīng)力應(yīng)變遠(yuǎn)程監(jiān)控儀[6]是一種對管道進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控的裝置，將其應(yīng)用于管道沉降過程中，可以為管道沉降技術(shù)提供技術(shù)指導(dǎo)，為保證管道的安全起到重要作用[7]。

1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控技術(shù)

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控系統(tǒng)通過將被測構(gòu)件表面視為二向應(yīng)力狀態(tài)，采用由3個(gè)應(yīng)變片組成的應(yīng)變花 （圖1），分別測得3個(gè)方向的線應(yīng)變。在彈性范圍內(nèi)，由廣義胡克定律確定3個(gè)方向主應(yīng)力為[8]：

圖1 應(yīng)變花方位圖

式中：E為彈性模量（楊式模量），MPa；μ為泊松比，無量綱；ε0°、ε45°、ε90°為 0°、45°、90°方向應(yīng)變，無量綱；σ0°為軸向應(yīng)力，MPa；σ90°為環(huán)向應(yīng)力，MPa；σ1，σ2為各主應(yīng)力值，MPa；θp為主應(yīng)力方向角度，°。

1.2 應(yīng)力應(yīng)變遠(yuǎn)程監(jiān)控儀

應(yīng)力應(yīng)變遠(yuǎn)程監(jiān)控儀主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括應(yīng)變采集器、數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換器、無線GPRS模塊、供電裝置；軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集及分析、數(shù)據(jù)庫維護(hù)、數(shù)據(jù)處理及曲線表達(dá)、自動(dòng)報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)控制、防雷裝置。監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖2所示，應(yīng)變采集器可以實(shí)時(shí)采集構(gòu)件軸向、環(huán)向、45°方向應(yīng)力-應(yīng)變，通過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換器輸出結(jié)構(gòu)主應(yīng)力值及主應(yīng)力方位角，繪制結(jié)構(gòu)環(huán)向、軸向、45°方向、主應(yīng)力應(yīng)變-時(shí)間曲線；完成監(jiān)測報(bào)告。系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控是基于GPRS模塊實(shí)現(xiàn)的，其數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

2 實(shí)例分析

2.1 工程背景

某長輸管道受特大暴雨沖刷影響，發(fā)生90m漂管險(xiǎn)情，造成管段裸露和局部管道變形，現(xiàn)場照片如圖4所示。該段管道主要在河漫灘敷設(shè)，主要地層巖性為卵石，成分以灰?guī)r為主，厚度大于5m，地下水位深度0～1.5m，水質(zhì)較好，對管道弱腐蝕。該段河道最大沖刷深度為1.93m。管道參數(shù)見表1和表2。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

圖4 沉管管段現(xiàn)場照片

2.2 危險(xiǎn)截面的確定

根據(jù)工況用有限元軟件ABAQUS建立如圖5(a)所示的模型[9]，通過ABAQUS/Standard求解器得出如圖5(b)的結(jié)果[10]。結(jié)果表明管道最大應(yīng)力值在管道與土壤的結(jié)合處為378.8MPa，超過了許用應(yīng)力，嚴(yán)重威脅管道運(yùn)行安全[11]。通過對該管段的具體情況進(jìn)行分析，采用沉管[12]方案對其治理，并對沉管過程管道危險(xiǎn)截面的應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.3 危險(xiǎn)截面受力分析

根據(jù)《現(xiàn)役管道的不停輸移動(dòng)推薦作法》，

軸向初始應(yīng)力：

式中：SP為由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向拉伸應(yīng)力，MPa；ST為由于溫度變化產(chǎn)生的管道軸向拉伸應(yīng)力，MPa；p為管道最大內(nèi)工作壓力，MPa；D為管外徑，mm；μ為鋼材泊松比，0.3；t為管子公稱壁厚，mm；E為彈性模量 （楊式模量），MPa；a為鋼材線性熱膨脹系數(shù)，mm/（mm·℃）；T1為管道安裝時(shí)的溫度，℃；T2為管道移動(dòng)時(shí)的工作溫度，℃。

表1 管道基本參數(shù)

表2 管道計(jì)算參數(shù)

圖5 管道模擬計(jì)算

環(huán)向初始應(yīng)力

式中：σφ為管道環(huán)向初始應(yīng)力，MPa。

管道設(shè)計(jì)許用應(yīng)力

式中：[σS]為管道設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，MPa；FD為設(shè)計(jì)系數(shù)，無量綱；SMYS為管道規(guī)定最小屈服強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)式（5）～（7）算出應(yīng)力值見表 3。

表3 管道計(jì)算應(yīng)力

管道監(jiān)測過程運(yùn)行應(yīng)力增量

式中：[σj]為管道監(jiān)測過程運(yùn)行許用應(yīng)力增量,MPa。

在沉管過程中，管道內(nèi)外壓不發(fā)生變化，環(huán)向應(yīng)力變化很小，所以應(yīng)采用軸向應(yīng)力小于許用應(yīng)力作為安全評(píng)定準(zhǔn)則[13]。

3 監(jiān)測過程

3.1 沉管監(jiān)測位置布置

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)載荷作用情況，選擇危險(xiǎn)點(diǎn)，包括：①風(fēng)險(xiǎn)載荷直接作用區(qū)域；②風(fēng)險(xiǎn)載荷作用后對彎管的影響區(qū)；③焊縫區(qū)、接管區(qū)；④管子橫截面直徑、壁厚、溫度、壓力突變區(qū)[14]。

危險(xiǎn)截面共計(jì)9個(gè)，監(jiān)測點(diǎn)位置如圖6所示。其中：過渡段與沉管段連接處，為折角最大處，屬危險(xiǎn)截面，需要在兩處連接點(diǎn)各裝設(shè)2個(gè)應(yīng)變傳感器，設(shè)置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；撓度最大處，屬危險(xiǎn)截面，需要在此處裝設(shè)1個(gè)應(yīng)變傳感器，設(shè)置2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。中間段附近管道彎曲，在彎管處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)需要設(shè)置1個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器，共設(shè)置9個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)《現(xiàn)役管道的不停輸移動(dòng)推薦作法》附錄B計(jì)算，在鋼管軸向應(yīng)力不超過應(yīng)力極限下，管段沉降至預(yù)定深度時(shí)過渡段最小長度Lmin=208m。

參照類似工程實(shí)例并考慮管道服役年限、確保沉管施工過程安全等綜合因素，確定上述值按照300m選取。則沉管的開挖管溝最小長度為390m。

3.3 沉管段的分布

通過計(jì)算，過渡段長度為300m，單側(cè)長度取150m。施工前在對管道縱斷面標(biāo)高和平面位置進(jìn)行復(fù)測及對管位、彎管等進(jìn)行準(zhǔn)確定位后，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整分配兩側(cè)過渡段的長度以滿足實(shí)際沉管的需要。具體沉管示意圖如圖7所示。

圖7 管段沉管示意圖

3.4 監(jiān)測結(jié)果

選用陜西漢中中原電測儀器廠生產(chǎn)的水下電阻應(yīng)變傳感器，共64個(gè)，應(yīng)用3.1所述監(jiān)測方案，一次測量0°、45°、90°方向應(yīng)力應(yīng)變值。針對上述危險(xiǎn)段，每段選取一個(gè)點(diǎn)列出其最大主應(yīng)力絕對值，見表 4。可以看出監(jiān)測點(diǎn)3的應(yīng)力值最高，點(diǎn)3為彎管段，在沉管過程中彎管曲率發(fā)生變化，造成應(yīng)力集中。

表4 監(jiān)測過程中主應(yīng)力最大值數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

沉管過程中采用實(shí)時(shí)監(jiān)控的方式，對于沉降過程中局部應(yīng)力增大予以及時(shí)調(diào)整，減小其應(yīng)力值，使得管道各個(gè)危險(xiǎn)截面的主應(yīng)力都保持在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，最后成功完成了沉管。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，提高了管道治理的安全性、節(jié)省了費(fèi)用，有效地避免了一些事故的發(fā)生，保障了人民群眾的生命安全以及環(huán)境安全。同時(shí)，管道監(jiān)測技術(shù)還可以擴(kuò)展應(yīng)用于類似的工程中。

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