埋地天然氣管道應(yīng)力變形分析

韓志鵬

摘 要：利用有限元法對埋地天然氣管道的應(yīng)力和變形進(jìn)行了分析，考慮到實(shí)際施工過程，提出利用單元生死技術(shù)實(shí)現(xiàn)回填土分層加載，模擬管溝的回填過程。分析得出管壁內(nèi)側(cè)管頂處和管壁外側(cè)管側(cè)處受到最大拉應(yīng)力作用，是管道的2個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)；與公式法相比，利用有限元法計(jì)算管道的變形更接近實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞：天然氣 埋地管道 應(yīng)力 變形

中圖分類號：TQ325 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0111-01

埋地管道被廣泛用于輸送油、氣、水等介質(zhì)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，具有投資巨大，安全性高等特點(diǎn)。埋地管道作為—種特殊的地下結(jié)構(gòu)，其周圍土壤不僅作為載荷作用在管道上，而且約束著管道的移動和變形。因此，在管道設(shè)計(jì)中必須考慮管道的相互作用，才能更真實(shí)地反映埋地管道的受力狀態(tài)。本文利用有限元分析軟件ANSYS，對某天然氣管道的應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，分析中考慮了施工過程對管道應(yīng)力和變形的影響，并討論了覆土深度與管道應(yīng)力和變形之間的關(guān)系。

1 有限元模型的建立

埋沒于地下的管道可以看做是置于彈性介質(zhì)中的1根無限長梁。因此，可以取垂直于管道縱軸線的任意截面作為平面應(yīng)變問題進(jìn)行處理。本文對地基為軟基、土弧中心角為90°、覆土深度為8 m、無內(nèi)壓工作條件下的管道進(jìn)行了分析。有限元模型單元類型選擇PIANE82單元，具有較高的計(jì)算精度。

1.1 材料屬性

管道材料為20#鋼，外徑168.3 mm，壁厚6.4 mm，在載荷作用下變形較小，所以按線性材料計(jì)算。ANSYS提供的DP材料，使用DP屈服準(zhǔn)則，在巖石、土壤的有限元分析中，能夠得到較為精確的結(jié)果，所以土壤采用非線性DP材料。由于原狀土處于自然平衡狀態(tài)，故不計(jì)容重。

1.2 邊界條件及載荷

為了減小外部邊界條件對管道應(yīng)力的擾動影響，取管道周圍一定范圍內(nèi)的土壤作為結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行分析，底部用鉸支承固定，兩側(cè)用錠桿支承，使之只能發(fā)生垂直位移，而不發(fā)生水平位移?？紤]實(shí)際施工情況，利用ANSYS單元生死技術(shù)模擬管溝回填過程，實(shí)現(xiàn)分層加載。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力分析

經(jīng)過求解計(jì)算，得出管壁內(nèi)側(cè)、外側(cè)環(huán)向應(yīng)力：管壁內(nèi)側(cè)管頂處拉應(yīng)力最大，沿管周方向，拉應(yīng)力逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力，在管側(cè)壓應(yīng)力達(dá)到最大，隨后壓應(yīng)力又轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，并在管底達(dá)到最大；管壁外側(cè)管側(cè)處拉應(yīng)力最大，沿管周方向，拉應(yīng)力逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力，在管頂壓應(yīng)力達(dá)到最大。（如圖1）

分析表明：管壁內(nèi)側(cè)管頂處和管壁外側(cè)管側(cè)處是管道的2個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮這2點(diǎn)的應(yīng)力能否滿足要求即可。隨著覆土深度的增加，管壁內(nèi)側(cè)管頂處和管壁外側(cè)管側(cè)處的應(yīng)力變化如圖1?？梢钥闯觯弘S著覆土深度的增加，2點(diǎn)的應(yīng)力值都逐漸增加；在覆土深度小于5 m時(shí)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在管壁內(nèi)側(cè)管頂處；當(dāng)覆土深度大于5 m時(shí)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在管壁外側(cè)管側(cè)處。

2.2 變形分析

利用有限元法和常規(guī)的公式法得出的管道變形與覆土深度的關(guān)系曲線如圖2。

由圖2可見：隨著覆土深度的增加，2種計(jì)算方法得到的管道變形都逐漸增大，但有限元法計(jì)算的管道變形量低于公式法的計(jì)算值；在覆土深度較小時(shí)，二者的值比較接近，隨著覆土深度的增加，二者的值相差越來越大。主要原因是公式法將管頂土體作為外加載荷1次作用在管道上，管頂豎向土壓力與覆土深度成正比，這不能完全反映實(shí)際情況；而有限元法把土體處理成非線性材料，考慮了管道、回填土和地基的相互作用，比較接近實(shí)際情況。因此，在覆土較淺時(shí)2種方法的計(jì)算結(jié)果較接近，覆土較深時(shí)二者的計(jì)算結(jié)果相差較大。

3 結(jié)論

（1）管壁內(nèi)側(cè)管頂處和管壁外側(cè)管側(cè)處受到最大拉應(yīng)力作用，是管道的2個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)。

（2）比較有限元法和公式法對的管道變形值的分析計(jì)算可知，利用有限元法計(jì)算管道的變形更接近實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)

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