大口徑管道沉管下溝非線性動力學(xué)分析研究

王志強

(大慶油田工程建設(shè)有限公司, 黑龍江大慶，163416）

1 前言

目前，我國能源供給正發(fā)生深刻的變革，天然氣在我國一次能源消費的比例持續(xù)上升，天然氣管道將迎來建設(shè)高峰期，天然氣管道正向著大口徑、高強度、大壁厚、高壓力方向發(fā)展，其中中俄東線管道工程已使用X80高鋼，外徑1422mm、12Mpa高壓力的天然氣管道。大口徑管道穿越水田、湖泊等水網(wǎng)地段時，由于重量大、強度高、外徑大，下溝過程易發(fā)生管道不穩(wěn)定等安全事故，目前主要采用沉管法，基于超靜點梁模型，將管道受力狀態(tài)簡化為受均布載荷的梁，計算出管道的下溝長度值和撓度值，判斷出管道是否具備沉管下溝條件[1],[2]。由于簡化梁模型，未能對沉管下溝過程進行定量判斷，未考慮管墩高度對下溝的影響，以及下溝后管道應(yīng)力變化情況，在下溝過程中存在一定的安全風險。本文建立大口徑長輸管道、現(xiàn)場管墩和地面等三維實體模型，對大口徑長輸管道沉管下溝過程進行非線性動力學(xué)數(shù)值模擬，獲得開始下溝至下溝穩(wěn)定的各階段應(yīng)力變化值，找出了應(yīng)力最大部位，對下溝過程進行定量判斷，提高了大口徑管道沉管下溝技術(shù)能力，

2 沉管下溝力學(xué)模型建立

管道沉管下溝是在管道中心線兩側(cè)開挖管溝，利用管道自身重力作用自然降落到管溝設(shè)計標高的過程[3]。對大口徑管道沉管數(shù)值模擬前，需要計算出管道下溝端的最小長度，作為下溝過程的初始設(shè)定數(shù)據(jù)，下溝深度由非線性動力學(xué)分析校核。根據(jù)管道外徑、屈服強度和單位長度管道重量等參數(shù)，建立沉管下溝懸空端長度力學(xué)模型。

式中，D為管道外徑，m；σ為正應(yīng)力，MPa；α為內(nèi)、外徑之比；q為單位長度管道重量(N/m))。

3 沉管下溝動力學(xué)分析

沉管下溝是一個由地面到管溝的下降過程，大位移、大變形過程，溝底邊界條件在計算開始時不給出，管道下降到溝底后，管道與溝底相互接觸后接觸面積和應(yīng)力分布隨載荷變化，因此，沉管下溝是管道非線性應(yīng)力變化的過程。以中俄東線管道工程天然氣管道φ1422×21.4mm為研究對象，首先建立管道、管墩、地面、管溝等三維實體模型，賦予管道材質(zhì)，管道彈性模量210000MPa，泊松比0.3，密度7.85×10-6Kg/mm3，屈服強度555MPa，管道下溝深度3.2m。管墩、地面、管溝設(shè)置為剛體材料，管墩與管道接觸。地面端管道末端設(shè)置邊界條件，軸向方向固定，其他方向自由移動。

3.1 管道初始下落至溝底

在模型上緩慢移動管墩，從下溝起始端按照一定的速度將管道下降到溝底，真實模擬管道在自重的載荷下，緩慢下溝的施工過程。有限元分析步設(shè)置為大位移，初始增量步設(shè)置小，最大增量步設(shè)置小，通過對每一個分析步的增量步進行多次迭代，使每個增量步達到收斂，進而得到該分析步的收斂解[4]。管道下溝過程中，應(yīng)力逐漸增大，到達管溝底部時，下溝過程應(yīng)力達到最大。管道的應(yīng)力、位移值如下圖1、圖2所示。

圖1 管道初始下落到溝底應(yīng)力圖

圖2 管道初始下落到溝底位移圖

根據(jù)計算結(jié)果所示，管道下溝深度3.2m時，管道的應(yīng)力為247MPa,最大應(yīng)力在管道的懸空段管墩處。

3.2 管道平衡應(yīng)力分析

管道初始下溝后，管道首端先到達溝底，此時管道并未達到平衡，管道在自重的載荷下從首端逐漸下降到溝底，應(yīng)力繼續(xù)增加，管溝底部為剛體結(jié)構(gòu)，下溝過程會逐漸達到平衡。管道平衡后應(yīng)力不再發(fā)生變化，此時的應(yīng)力達到最大值，如圖3、圖4所示。

圖3 管道平衡應(yīng)力值圖

圖4 管道下溝后彎曲效果圖

管道下溝達到平衡后，地面端管墩支撐管道呈向上彎曲形狀。最大的應(yīng)力出現(xiàn)在管墩處，應(yīng)力為527MPa，接近管道的屈服強度555MPa。利用簡化的超靜定梁理論進行沉管下溝存在一定的安全風險，應(yīng)該進行修正，管道在下溝時，盡量減少管道較長距離懸空，管道在土方的支撐下應(yīng)力降低了應(yīng)力，在管道下溝過程中注意。

4 工程應(yīng)用

本文技術(shù)成果在中俄東線天然氣管道工程施工中得到應(yīng)用，下溝過程中增加管道的下溝長度，下溝過程中采用四臺挖掘機進行分層開挖，形成斜向緩坡，以達到管線不存在一根管長以上懸空段，增加控制管道擺動的措施，減少管道橫向移動產(chǎn)生的應(yīng)力，保證了沉管下溝的施工質(zhì)量，提高了大口徑管道沉管下溝的科學(xué)性、安全性。

圖5 工程應(yīng)用效果圖

5 結(jié)論

本文采用有限元非線性動力學(xué)對大口徑管道沉管下溝過程進行數(shù)值模擬，獲得了管道沉管下溝曲線和最大應(yīng)力點。管道溝底平衡后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在地面端第一個管墩處，地面端呈向上彎曲形狀，并對沉管下溝過程采取了有效的控制措施，減少了應(yīng)力集中，提高了管道沉管下溝質(zhì)量和安全性，為今后的大口徑管道沉管下溝提供指導(dǎo)。