大口徑長輸管道整體下溝過程的有限元校核分析

張宏志

大慶油田工程建設(shè)有限公司安裝公司，黑龍江大慶 163416

隨著我國成品油、天然氣管道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略布局的推進，未來十年油氣長輸管道將迎來新的建設(shè)高峰期。長輸管道的溝上焊接、整體下溝技術(shù)，以其高效、安全、環(huán)保等特點逐漸取代了溝下焊接作業(yè)的傳統(tǒng)施工方法。但是整體下溝技術(shù)仍存在著應(yīng)用主觀性強、管道易產(chǎn)生殘余變形等施工難點，尤其是大口徑管道整體下溝施工，其難度更大。大口徑管道整體下溝的關(guān)鍵問題是大變形、大位移、大撓度，其容易導(dǎo)致管道在橫向、豎向產(chǎn)生較大變化，從而給管道造成不同程度的損傷。

本文針對俄氣東輸管道工程中規(guī)格為D1422mm×21.4 mm、管材為X80鋼、管溝深度為4 m的大口徑管道的整體下溝技術(shù)進行研究。對管道的起吊進行受力分析，根據(jù)吊管機的工況，合理布置下溝位置，分析校核管道整體下溝的技術(shù)方案，找到管道整體下溝過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力，并將其設(shè)置為施工關(guān)鍵點加以控制，優(yōu)化了大口徑管道整體下溝的施工工序，保證了管道整體下溝過程中不損壞母材，從而提高了大口徑管道整體下溝的準(zhǔn)確性、安全性和可靠性。

1 起吊管道受力分析

大口徑管道下溝過程采用吊管機將管道吊起，由于存在著起吊過高或吊點過少而造成管體應(yīng)力超過許用應(yīng)力的問題，因此需要對管道吊起時的受力進行分析，即需要計算出管道的最大起吊高度h、吊管機負荷P、管道離地長度L的數(shù)值[1]（見圖1），以指導(dǎo)管道的施工。

管道吊點離開地面的高度最大值h：

圖1 管道起吊情況示意

吊裝設(shè)備負荷P：

管道離地面部分的1/2長度L：

式中：h為管道起吊高度，m； [σ]為管材許用應(yīng)力，Pa；I為管道軸慣性矩，m4；D為管道外徑，m；q為管道單位長度重度，N/m；E為管材彈性模量，Pa；P為吊裝設(shè)備的負荷，N；L為離地管道長度的一半，m。

2 管道整體下溝最短區(qū)段長度的確定

將管道分成兩個區(qū)段OA、AB。O點管墩的高度為0.3 m，A點距地面高度1 m，OA為管道第一位置點抬起的長度，AB為管道可下入溝底的最短長度，此右邊AB區(qū)段的管道由地面1 m高度降至-4 m的溝底，見圖2。

圖2 管道下溝區(qū)段的最短長度AB

管道的極限彎曲曲率半徑[2]為：

式中：RS為管道彎曲最小曲率半徑，m；Rσ為管道彎曲最大曲率半徑，m；σs為管道屈曲強度，Pa。

代入相關(guān)參數(shù)，則得：

根據(jù)圖2和式（3）可以算出，可下入溝底的最短管道長度（AB區(qū)段）為12 m。而實際管道整體下溝的總長度為208 m。

3 確定管道整體下溝的吊管機配置方案

根據(jù)吊管機的性能參數(shù)、管道極限彎曲曲率半徑、管道與管溝中心的水平距離等，確定吊管機的配置數(shù)量和初始站位[3]。表1中對整條管道區(qū)段重新進行了劃分，各點位置見圖3。

表1 吊管機配置計算

圖3 吊管機配置

根據(jù)表1吊管機的配置，當(dāng)位于管道72 m位置時，管道離地高度為0.7 m，吊裝質(zhì)量為28.3 t，滿足90 t吊管機負荷能力80%的要求；當(dāng)位于管道72～208 m區(qū)段時，此區(qū)段的設(shè)備布置原則是管段重量小于吊管機在工作半徑下負荷能力的90%，根據(jù)此原則，依次布置了B、C、D、E、F、G、H等7個吊點，共計8個吊點，見圖3。

4 管道撓度曲線的擬合

由于大口徑管道長度跨度大，采用多吊點提升，因此，通過采用多項式插值函數(shù)擬合管道撓度曲線，進而建立多點提升的力學(xué)模型，由此計算出各種提升狀態(tài)下的變形和內(nèi)力，從而實現(xiàn)對施工方案的力學(xué)校核。管道在端部和中部的n個點上受到鉛直向上的提升力作用，各受力點產(chǎn)生鉛直向上的起吊高度；提升點間距的合理布置及管道長度方向均勻分布的自重，使得管道產(chǎn)生曲率不大的彎曲變形[4]。

4.1 插值撓度曲線

插值撓度曲線是與修正荷載集度qi有關(guān)的四次多項式，i+1段的插值函數(shù)yi+1（x）和i段的插值函數(shù)yi（x） 在考慮x=ai處的連續(xù)條件后得到下式：

對于任意一段插值函數(shù)可以確定出下式：

其中：i=2，3，…，n

4.2 水平狀態(tài)y和下落狀態(tài)z的撓度擬合曲線

水平狀態(tài)y和下落狀態(tài)z的擬合曲線見式（8）、（9），其圖像見圖4。

圖4 撓度擬合曲線圖形

5 長輸管道整體下溝的有限元校核

為確保管道下溝安全，對管道整體下溝進行非線性有限元分析，有限元分析校核分為管道起吊、平移至管溝頂部、垂直下落至溝底三個階段。校核管道變形應(yīng)力、吊管機的間距、起吊高度和吊裝能力是否滿足管道材質(zhì)要求和施工要求。

俄氣東輸管道工程管徑D1 422 mm，壁厚21.4 mm，管材X80鋼，彈性模量205 GPa，泊松比0.3，管道密度7 860 kg/m3，屈服強度555 MPa。管道整體下溝過程中主要承受自重載荷和吊管機的提升力。管道計算總長208 m，布置8個吊點，管道彎曲曲率半徑R為700D。管道下溝前的狀態(tài)如圖5所示。

5.1 管道起吊過程

根據(jù)撓度擬合曲線公式，初始管道底部距離地面0.7 m，大口徑管道穿過吊裝帶由吊管機起吊。采用有限元分析軟件Abaqus[5]對管道起吊過程進行分析，得到管道起吊時的受力如圖6所示，管道起吊時的位移（撓度擬合曲線位移值）如圖7所示。

管道起吊過程中，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在第1個吊點A前段，為141.7 MPa，小于X80鋼管的許用應(yīng)力。該吊點距離地面0.7 m，其余各吊點提升距離都小一點，應(yīng)力比較小。每個吊點上管道的位移值（撓度擬合曲線位移值）為0.7 m，與實際施工工況相符。

圖5 管道下溝前的狀態(tài)

圖6 管道起吊應(yīng)力圖/Pa

圖7 管道起吊位移圖/m

5.2 管道水平轉(zhuǎn)動至管溝頂部過程

管道中心距離管溝中心為4.927 m，管道水平轉(zhuǎn)動至管溝頂部過程中的受力如圖8所示，管道水平轉(zhuǎn)動至管溝頂部的位移（撓度擬合曲線位移值）如圖9所示。

圖8 管道水平轉(zhuǎn)動至管溝頂部的應(yīng)力/Pa

圖9 管道水平轉(zhuǎn)動至管溝頂部的位移/m

管道水平轉(zhuǎn)動至管溝頂部過程中，管道端部的位移值（撓度擬合曲線位移值）是5.049 m，第8個吊點的管道的位移值為4.927 m，其余各點與撓度擬合曲線對應(yīng)。計算結(jié)果顯示，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在第7個吊點G，該處產(chǎn)生了應(yīng)力集中。其主要原因是為了實現(xiàn)此管段與溝底的走向一致，撓度擬合曲線在此吊點的位移值較大。因此在實際施工中應(yīng)減少此吊點的作用力，可通過允許管道有限滑移至溝底來實現(xiàn)。

5.3 垂直下落至管溝底的過程

管溝深度為4 m，管道在自重的載荷下緩慢下落，控制管道的下落速度，管道首端下落到溝底時計算完成。在下落初始時，第1個吊點固定，下落完成后觀察管道的應(yīng)力分布。管道垂直下落至管溝底的應(yīng)力如圖10所示，管道垂直下落至管溝底的位移（撓度擬合曲線位移值）如圖11所示。

圖10 管道垂直下落至管溝底的應(yīng)力圖/Pa

圖11 管道垂直下落至管溝底的位移圖/m

管道從管溝頂部垂直下落到溝底時，管道前端垂直方向的位移值（撓度擬合曲線位移值），從最初的0.727 9 m緩慢下降到-4.16 m，第8個吊點H的下降距離是-4 m。最大應(yīng)力出現(xiàn)在第7個吊點G位置，接近X80鋼管的屈服強度，其主要原因是此管段在水平彎曲時的應(yīng)力比較高，造成下落的時候應(yīng)力比較集中。實際下溝過程中不會強調(diào)管道軸線精準(zhǔn)對中，不會施加很大水平彎曲力矩，所以管道在下溝中應(yīng)力不會超出管道許用應(yīng)力。

6 施工方案的工程應(yīng)用

通過對大口徑長輸管道整體下溝的有限元分析校核，揭示出管道整體下溝過程中應(yīng)力集中的部位，該研究成果可用于施工過程中吊管機的優(yōu)化配置和監(jiān)督控制。本文技術(shù)成果已應(yīng)用于俄氣東輸管道工程的管道整體下溝施工中，設(shè)備在吊起、鎖緊、擴展、下落等操作中，設(shè)備負荷始終控制在計算負荷內(nèi)，實現(xiàn)了大口徑管道整體下溝的安全和可操作。該技術(shù)的工程應(yīng)用效果見圖12。

圖12 工程應(yīng)用效果

7 結(jié)束語

本文應(yīng)用非線性有限元分析法研究了俄氣東輸管道工程中D1 422 mm×21.4 mm大口徑管道整體下溝施工方案的可行性。通過對該管道整體下溝過程進行應(yīng)力、應(yīng)變校核，給出了保證管道下溝不發(fā)生變形損壞的施工方案參數(shù)。該技術(shù)的實施提高了長輸管道整體下溝的安全性、可靠性，具有良好的應(yīng)用效果和推廣前景。