挖掘載荷作用下埋地RTP管道的有限元分析

程夢鵬 甘麗華 唐繼蔚 劉 暢

1.中國石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000;2.杭州歐佩亞海洋工程有限公司,浙江 杭州 310012

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挖掘載荷作用下埋地RTP管道的有限元分析

程夢鵬1甘麗華1唐繼蔚2劉 暢2

1.中國石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000;2.杭州歐佩亞海洋工程有限公司,浙江 杭州 310012

為分析挖掘荷載作用在管道上所造成的后果，采用ABAQUS非線性有限元軟件的耦合歐拉-拉格朗日法(CEL),對承受挖掘載荷作用的鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管(RTP)進(jìn)行有限元三維建模。土壤本構(gòu)關(guān)系選用Mohr-Coulomb模型,分別從挖掘載荷未直接作用和直接作用在RTP管上進(jìn)行分析,在挖掘載荷直接作用下RTP管各層材料發(fā)生屈服、斷裂,管道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形、破裂,即RTP管強(qiáng)度失效。分析結(jié)果為采取相應(yīng)的有效保護(hù)措施提供了依據(jù)。

挖掘載荷;埋地管道;熱塑性增強(qiáng)管;耦合歐拉-拉格朗日法;有限元分析

0 前言

鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管(RTP)是我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)產(chǎn)品，它是以熱塑性塑料高密度聚乙烯為基體,以高強(qiáng)度鋼絲傾角錯(cuò)繞而成的網(wǎng)狀骨架為增強(qiáng)體,鋼絲與塑料之間采用高性能樹脂粘結(jié)而成的鋼塑復(fù)合結(jié)構(gòu)。RTP管生產(chǎn)效率高,結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng),并具有承載能力強(qiáng)、耐腐蝕性好、耐磨性優(yōu)良、性價(jià)比高、質(zhì)量輕、安裝運(yùn)輸便捷等優(yōu)點(diǎn)。從21世紀(jì)初起,已在市政工程、民用建筑、醫(yī)療化工、農(nóng)業(yè)和煤化工等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,工業(yè)化程度不斷提高,各種施工越來越頻繁,如:修筑地下鐵路、地下商場以及挖煤采礦等,如果防護(hù)措施不當(dāng),可能造成埋地輸氣管道的損壞[1]。埋地輸氣管道的施工條件比較惡劣,在役檢測困難,再加上輸送介質(zhì)的特性,一旦發(fā)生泄漏或斷裂,可能引起爆炸、燃燒、中毒等重大事故,使人民的生命和財(cái)產(chǎn)遭受重大的損失,使社會(huì)的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)遭受嚴(yán)重破壞[2-3]。

挖掘荷載作用在管道上所造成的后果,一是直接導(dǎo)致管道破裂,引起介質(zhì)泄漏;二是不同程度地?fù)p壞管道防腐層或給管線造成刮痕、壓坑等缺陷，為管道腐蝕或應(yīng)力集中開裂埋下隱患[4]。需要分析其產(chǎn)生的原因并采取相應(yīng)的有效措施保證管道的安全可靠運(yùn)行。

宰金珉等人[5]指出無論從靜力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)的角度分析結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),土體與結(jié)構(gòu)的相互作用都是不可忽略的,只有把結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)和地基作為相互作用又相互制約的整體分析,才能得到比較符合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果。土體和結(jié)構(gòu)的非線性接觸是土體-結(jié)構(gòu)相互作用問題的難點(diǎn)之一,較為簡化的處理是土體-結(jié)構(gòu)共用節(jié)點(diǎn),但是準(zhǔn)確來講,土體與結(jié)構(gòu)間的關(guān)系應(yīng)該是摩擦接觸,而對動(dòng)力問題來說就是動(dòng)力接觸[5]。本文利用ABAQUS有限元軟件,采用耦合歐拉-拉格朗日算法(CEL)結(jié)合非線性動(dòng)力學(xué)基本理論,模擬挖掘機(jī)破壞埋地RTP管道過程。CEL方法結(jié)合傳統(tǒng)拉格朗日法和耦合歐拉法的優(yōu)點(diǎn),已成為解決物體發(fā)生大變形情況下的一種比較通用的計(jì)算力學(xué)方法,而非線性動(dòng)力學(xué)理論考慮了在挖掘載荷作用下土體和RTP管相互作用的動(dòng)力問題[6]。

1 材料模型

1.1 土體的彈塑性模型

本文土體模型選用Mohr-Coulomb模型,其屈服面在子午面內(nèi)是一條雙曲線,在偏應(yīng)力平面內(nèi)則是六邊形,見圖1[7-8]。

圖1 偏應(yīng)力面上的Mohr-Coulomb模型屈服面

Mohr-Coulomb模型屈服準(zhǔn)則假定當(dāng)土體中任何點(diǎn)的剪應(yīng)力達(dá)到某個(gè)值時(shí)破壞發(fā)生,考慮正應(yīng)力的最大主剪應(yīng)力屈服理論,在-σ坐標(biāo)系中,屈服或破壞線見圖2。

Mohr-Coulomb的破壞準(zhǔn)則為:

(1)

在壓縮情況下σ為負(fù)值,從Mohr圓中可知:

(2)

經(jīng)變換可得到:

s+σmsinφ-c cosφ=0

(3)

土體參數(shù)見表1。

圖2 Mohr-Coulomb破壞模型

1.2 RTP管材料模型

RTP管的主要材料是高密度聚乙烯(HDPE)、鋼絲和熱熔膠[9-10]。通過在HDPE制成的芯管上以一定的傾角順時(shí)針或逆時(shí)針纏繞高強(qiáng)度鋼絲,采用擠出工藝將HDPE包覆于外層,高強(qiáng)度鋼絲與內(nèi)外層HDPE之間熱熔粘接為一體[11-13]。管道材料模型選用各向同性彈塑性模型。HDPE材料和鋼絲材料參數(shù)見表2～3。

表1 土體參數(shù)

參數(shù)值密度/(kg·m-3)1780彈性模量/MPa0.207泊松比0.3摩擦角/rad0.35初始凝聚力/MPa6.9E-5剪脹角/rad0

表2 HDPE材料參數(shù)

參數(shù)值密度/(kg·m-3)940彈性模量/MPa1002泊松比0.45極限抗拉強(qiáng)度/MPa26.5承載應(yīng)力/MPa24

表3 鋼絲材料參數(shù)

參數(shù)值密度/(kg·m-3)7800彈性模量/MPa2.1E5泊松比0.26極限抗拉強(qiáng)度/MPa2100

1.3 挖掘載荷參數(shù)

挖掘機(jī)抓斗主要是由鋼材構(gòu)成,挖掘機(jī)參數(shù)見表4。

表4 挖掘機(jī)參數(shù)

參數(shù)值密度/(kg·m-3)7800彈性模量/MPa2.1E5泊松比0.26挖掘半徑/m1.5斗齒數(shù)目2

2 有限元計(jì)算模型

2.1 幾何模型

挖掘荷載作用下埋地RTP管的動(dòng)力響應(yīng)過程可抽象為半無限體在沖擊荷載下作用的問題[14],使用耦合歐拉-拉格朗日有限元分析模型進(jìn)行仿真。挖掘機(jī)以一定的挖掘力和挖掘半徑進(jìn)行挖掘,地面到管頂距離0.8 m。土體是半無限空間體,計(jì)算時(shí)選取7.2 m×3.6 m×1.8 m的范圍,幾何模型見圖3,RTP管幾何參數(shù)見表5。

圖3 幾何模型

表5 RTP管幾何參數(shù) mm

2.2 模型單元類型

有限元模型見圖4,其中挖掘機(jī)挖斗位于土體上方采用S 4 R單元模擬;管道在土體中間,其HDPE層和加強(qiáng)層基體由C 3 D 8 R單元模擬;鋼絲嵌于RTP管加強(qiáng)層內(nèi),采用T 3 D 4單元模擬[15-17],見圖5;土體使用EC 3 D 8 R歐拉單元模擬[18]。

圖4 有限元模型

圖5 RTP管有限元模型

2.3 載荷與邊界條件

根據(jù)研究對象實(shí)際受力變形情況,利用耦合約束將RTP管端面6個(gè)自由度與中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)約束在一起。在模型兩端固定軸向位移。同時(shí),RTP管內(nèi)壁面施加 6.4 MPa 的均布壓力。

土體模型邊界條件見圖6，分別固定其中3個(gè)面的法向運(yùn)動(dòng)。

圖6 土體模型邊界條件

在整個(gè)分析過程中都將挖斗設(shè)定為剛性體,并按圖7定義剛性體約束點(diǎn),在約束點(diǎn)上施加y方向向下速度0.01 m/s、繞z軸方向角速度1.57 rad/s并約束挖斗其他4個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

圖7 挖斗邊界條件

3 分析結(jié)果

3.1 挖斗與管道距離對管道響應(yīng)影響

建立挖斗與管道的距離分別為0.8、0.6、0.4、0.2 m的4個(gè)模型,挖掘載荷均為250 kN。

以挖斗與管道距離為0.8 m為例,當(dāng)挖掘機(jī)開始作業(yè),挖斗撞擊到RTP管上方土面,沖擊能量傳遞到管道處,此時(shí)管道局部最大等效應(yīng)力(Mises應(yīng)力)瞬間達(dá)到21.03 MPa,見圖8。但隨著挖斗撥開土層并遠(yuǎn)離管道,能量逐步釋放后,管道的最大等效應(yīng)力很快下降到8.41 MPa,見圖9。

圖8 挖掘機(jī)挖斗初次撞擊土面

圖9 挖掘機(jī)挖斗遠(yuǎn)離RTP管

圖10 內(nèi)外層管道等效應(yīng)力云圖

圖11 挖斗未直接作用在RTP管上鋼絲應(yīng)力圖

在本次挖掘過程中,管道上層有土壤保護(hù),且挖斗并沒有直接撞擊到管道,從圖10內(nèi)外層管道等效應(yīng)力云圖中可以看出管道受到上方擠壓,HDPE材質(zhì)的等效應(yīng)力最大值在管道底部為21.03 MPa，沒有超過HDPE材料的強(qiáng)度極限,從圖11挖斗未直接作用在RTP管上鋼絲應(yīng)力圖中也可以看出RTP管中的加強(qiáng)鋼絲最大應(yīng)力只有743 MPa，遠(yuǎn)沒有達(dá)到鋼絲的強(qiáng)度極限2 100 MPa。從管道整體性來看,管道沒有明顯變形,在挖掘機(jī)挖斗遠(yuǎn)離后,管道應(yīng)力、變形都恢復(fù)正常，可見過程中RTP管并沒有破壞。

圖12為不同挖斗與管道距離同HDPE最大Mises應(yīng)力關(guān)系曲線,圖13為不同挖斗與管道距離同增強(qiáng)層鋼絲最大Mises應(yīng)力關(guān)系曲線。從圖12～13可以看出，內(nèi)外層HDPE和增強(qiáng)層鋼絲始終沒有失效,隨著距離增大,HDPE和增強(qiáng)層鋼絲的Mises應(yīng)力峰值明顯減小。相同挖掘載荷下,傳播距離越長,能量消耗越多,挖掘的影響就越小。在挖掘載荷一定的情況下,挖斗與管道的距離越大,埋地輸氣管道破壞的可能性越小。

圖12 挖斗與管道距離與HDPE最大Mises應(yīng)力關(guān)系曲線

圖13 挖斗與管道距離與增強(qiáng)層鋼絲最大Mises應(yīng)力關(guān)系曲線

3.2 不同挖掘載荷對管道響應(yīng)影響

建立挖掘載荷分別為50、100、150、200、250 kN的5個(gè)模型。挖斗與管道的距離不變均為0.8 m。

當(dāng)挖掘機(jī)繼續(xù)作業(yè),大部分土壤被挖開,挖斗撞擊到RTP管上,以挖掘載荷250 kN為例,見圖14。此時(shí)管道發(fā)生大變形破壞,HDPE最大等效應(yīng)力達(dá)到24.28 MPa，超過HDPE的承載應(yīng)力,RTP管的等效應(yīng)力云圖見圖15。同時(shí)鋼絲的應(yīng)力也達(dá)到了1 918 MPa，接近其極限強(qiáng)度2 100 MPa,見圖16。從計(jì)算結(jié)果可知，管道發(fā)生明顯形變,管道的HDPE層和增強(qiáng)層鋼絲都已經(jīng)遭到破壞。

圖17為挖掘機(jī)挖斗直接作用于RTP管上的沖擊力隨時(shí)間變化曲線,RTP管所受挖斗最大沖擊力為223.7 kN,在挖掘載荷作用下RTP管的主要破壞形式以強(qiáng)度失效為主,管道發(fā)生大變形、破裂失效。

圖18為不同挖掘載荷與HDPE最大Mises應(yīng)力關(guān)系曲線,圖19為不同挖掘載荷與增強(qiáng)層鋼絲最大Mises應(yīng)力關(guān)系曲線。從圖19可以看出，當(dāng)挖掘載荷超過150 kN,HDPE最大等效應(yīng)力超過了其承載應(yīng)力24 MPa,RTP管失效。隨著挖掘載荷的增大,HDPE和增強(qiáng)層鋼絲的Mises應(yīng)力峰值也增大,但它們之間并不是線性關(guān)系。這是因?yàn)樵谕诰蚝奢d下,管道表面覆土深度太小,土體已經(jīng)發(fā)生塑性變形,而土體和RTP管又是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)接觸,本身就是個(gè)高度非線性的問題,故在分析土體與結(jié)構(gòu)的相互作用時(shí),不能將兩者分開考慮,只有把結(jié)構(gòu)與土體相互作用又相互制約作為整體分析,才能得到比較符合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果。

圖14 挖掘機(jī)挖斗撞擊RTP管

圖15 RTP管等效應(yīng)力云圖

圖16 挖斗未直接作用在RTP管上鋼絲應(yīng)力圖

圖17 挖掘機(jī)挖斗直接作用于RTP管上的沖擊力隨時(shí)間變化曲線

圖18 不同挖掘載荷與HDPE最大Mises應(yīng)力關(guān)系曲線

圖19 不同挖掘載荷與增強(qiáng)層鋼絲最大Mises應(yīng)力關(guān)系曲線

4 結(jié)論

挖掘載荷作用位置是等效應(yīng)力最大處,也是RTP管最先達(dá)到破壞的位置?？梢詫ises屈服準(zhǔn)則作為挖掘載荷作用下埋地RTP管破壞的優(yōu)先準(zhǔn)則。

挖掘載荷作用下影響埋地輸氣RTP管的因素很多,本文僅從挖斗與管道距離和挖掘載荷大小兩方面進(jìn)行分析研究。分析結(jié)果表明:RTP管Mises應(yīng)力峰值的大小與挖斗與管道距離有關(guān),隨著距離的增大,其峰值明顯減小,為保證管道的安全,應(yīng)禁止在管道附近施工,建議施工范圍在0.5倍挖掘半徑范圍外;隨著挖掘載荷的增大,RTP管Mises應(yīng)力也增大,但由于土體發(fā)生塑性變形以及土體和管道間是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)接觸問題,它們之間是非線性的關(guān)系。下一步可以對RTP管埋深及壁厚等因素進(jìn)行研究。

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2016-04-18

中國石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)工程資助項(xiàng)目(Z-2013-KTFB-7)

程夢鵬(1966-)，男，山東安丘人，高級工程師，碩士，從事管道應(yīng)用技術(shù)研究與標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.005