高寒地區(qū)大管徑埋地管道折管段安全性分析

郭勝杰，楊忠國，鄧書輝，王石，王蕓

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)土木水利學(xué)院，大慶 163319）

給排水系統(tǒng)中，管道是不可或缺的組成部分。管道按照其使用方式可大致分為直埋敷設(shè)和管廊敷設(shè)兩種，其中管廊式敷設(shè)的最低許用環(huán)境溫度為-20 ℃，在高寒地區(qū)適應(yīng)性較差[1]，故高寒地區(qū)的給排水管道多采用埋地敷設(shè)。關(guān)于高寒地區(qū)埋地管道應(yīng)用方面，不同專家學(xué)者進(jìn)行了不同研究，也得到了不同結(jié)論與成果。關(guān)于管道埋深及保溫方案設(shè)計(jì)方面，專家學(xué)者們多是通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)勘查或經(jīng)濟(jì)測(cè)算等方法開展研究，如趙汝毅[2]、黃文霞[3]等基于經(jīng)驗(yàn)公式和彈性力學(xué)基本理論，對(duì)高寒地區(qū)供熱和給水管線的直埋淺埋等方案進(jìn)行探討；蘭茗[4]、王軍[5]、王文琴[6]等則分別進(jìn)行了管道施工現(xiàn)場(chǎng)勘查、不同方案造價(jià)測(cè)算對(duì)比、管道淺埋施工與環(huán)境參數(shù)理論分析等工作，對(duì)高寒地區(qū)不同地段的管道埋深及保溫方案進(jìn)行了研究，針對(duì)不同地段給出了高寒地區(qū)給水管道合理埋深方案。關(guān)于管道敷設(shè)方案方面，專家學(xué)者們多是通過對(duì)不同地區(qū)地理特征、不同材料性能特點(diǎn)以及所用設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等角度完成研究，如祁榮富等[7]探討了季節(jié)性凍土管道敷設(shè)方案的可行性；姜龍等[8]基于高寒地區(qū)環(huán)境要求分析了明管敷設(shè)方案的適用性；肖雷等[9]基于季節(jié)特征分析了高寒地區(qū)給排水管道施工技術(shù)的基本要求；辛真[10]、方良斌[11]、趙偉[12]、孫方龍[13]等通過管道承壓測(cè)試及管道失效分析等手段分析了高寒地區(qū)給水管道敷設(shè)方案設(shè)計(jì)思路；趙艷華[14]、王聞?shì)x[15]、王利軍[16]、呂光輝[17]等分別從管道施工管理、材料選擇和防護(hù)辦法等角度提出了高寒地區(qū)的管道防護(hù)及敷設(shè)方案新思路；劉海鵬[18]、劉子浩[19]、劉振平[20]、余林[21]等分別從埋地管道維護(hù)技術(shù)、凍土區(qū)域管道敷設(shè)及管理技術(shù)等問題出發(fā)，分析了高寒地區(qū)現(xiàn)行管道敷設(shè)方案的優(yōu)劣，并分別對(duì)高寒地區(qū)的管道敷設(shè)方案或防護(hù)管理措施提出了自己的建議。

綜上可知，當(dāng)前的專家學(xué)者多針對(duì)高寒地區(qū)的埋地管道敷設(shè)方案、埋深等參數(shù)的合理選擇或計(jì)算方法開展研究，而高寒地區(qū)埋地敷設(shè)的管道在長期運(yùn)行過程中，內(nèi)部運(yùn)行壓力及管體表面覆土靜壓隨著時(shí)間將發(fā)生變化，埋地管道自身應(yīng)力也會(huì)隨之發(fā)生一定變化。管道的應(yīng)力變化直接影響其使用安全性，甚至?xí)?duì)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)造成重大影響[22]，故應(yīng)對(duì)高寒地區(qū)管道不同使用環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)力分析和安全性評(píng)價(jià)。針對(duì)高寒地區(qū)大管徑埋地管道在不同覆土靜壓及運(yùn)行壓力下的應(yīng)力變化及使用安全性進(jìn)行分析，給出了相應(yīng)工況下的使用安全性。

1 高寒地區(qū)大管徑埋地管道受力分析模型建立

1.1 高寒地區(qū)大管徑埋地管道幾何模型建立

埋地管道一般由工作管部分、保溫層以及外護(hù)管等部分組成，按照溫度應(yīng)力控制方法的不同，管道埋地敷設(shè)過程中，可采用冷安裝、敞開式預(yù)熱安裝、一次性補(bǔ)償覆土預(yù)熱安裝、有補(bǔ)償安裝等方式進(jìn)行安裝[23]。在管道安裝過程中一般需要滿足《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求，如高寒地區(qū)大管徑埋地管道敷設(shè)時(shí)，直管段可存在折角的情況，此時(shí)需要將折角區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，如采用彎管過渡、將折角進(jìn)行L 型或Z 型拆分以及架設(shè)折角附近的固定墩均是常用的方法。參照文獻(xiàn)[23]中的規(guī)定，可視為直管段的最大折角如表1 所示。當(dāng)超過表1 中所列數(shù)值時(shí)，所敷設(shè)管段不可視為直管段。

表1 可視為直管段的最大折角Table 1 Maximum bending angle that can be regarded as of straight pipe section

當(dāng)高寒地區(qū)大管徑埋地管道存在折管段時(shí)，在載荷作用下，埋地管道的折角區(qū)域相較于其余直管段的應(yīng)力水平更高，發(fā)生失效的可能性也更大，為確定高寒地區(qū)大管徑埋地管道的使用安全性，應(yīng)針對(duì)存在折彎段的管道受力變形情況進(jìn)行分析。故參照文獻(xiàn)[23]中規(guī)定情況，建立了管道受力分析模型如圖1 所示。所研究埋地管道的公稱直徑為500 mm，管道最大平面折角為9 °。

圖1 高寒地區(qū)大管徑埋地管道受力分析幾何模型建立Fig.1 Establishment of geometric model for stress analysis of large diameter buried pipeline in alpine Region

1.2 高寒地區(qū)大管徑埋地管道力學(xué)模型建立

參照實(shí)際情形，建立高寒地區(qū)大管徑埋地管道的力學(xué)模型。由于埋地管道敷設(shè)后，其承受的主要載荷為管道周邊土體的外壓以及管內(nèi)流體提供的內(nèi)壓，故分析也主要對(duì)存在折彎段的高寒區(qū)域大管徑埋地管道在內(nèi)外壓共同作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況開展分析。由于管道外壓主要來源于上半部分覆土的靜壓，故分析時(shí)外壓僅考慮管道上方覆土靜壓?；谏鲜龇治?，參照?qǐng)D1 所示幾何模型建立埋地管道的受力模型如圖2 所示，其中埋地管道承受載荷主要為管道上方土靜壓及管內(nèi)流體內(nèi)壓。預(yù)設(shè)載荷如表2所示，其中土靜壓越高代表埋地深度越深，為真實(shí)模擬埋地管道的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，管內(nèi)流體選擇為水，流體內(nèi)壓施加過程考慮動(dòng)載效應(yīng)，動(dòng)載系數(shù)取1.25，管道采用直埋淺埋法敷設(shè)，管道上方土靜壓不超過0.5 MPa，對(duì)應(yīng)埋深為2.0 m。

圖2 高寒地區(qū)大管徑埋地管道載荷與邊界條件設(shè)置Fig.2 Load and boundary condition setting of large diameter buried pipeline in alpine region

表2 高寒地區(qū)大管徑埋地管道受力分析預(yù)設(shè)載荷邊界Table 2 Stress analysis of large diameter buried pipeline in alpine region preset load boundary

2 高寒地區(qū)大管徑埋地管道有限元模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分

高寒地區(qū)大管徑埋地管道應(yīng)力分析過程涉及金屬彈塑性、動(dòng)載效應(yīng)等因素，要求應(yīng)力計(jì)算結(jié)果精確，故選擇C3D8I 六面體單元?jiǎng)澐致竦毓艿缿?yīng)力分析的網(wǎng)格，如圖3 所示，網(wǎng)格數(shù)量為10.87 萬。

圖3 埋地管道模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of buried pipeline model

2.2 材料屬性定義

有限元分析中，高寒地區(qū)所用埋地管道的材質(zhì)定義為大管徑埋地管道常用的X52，材料屬性如表3所示，環(huán)境溫度定義為-40 ℃。

表3 埋地管道材料屬性定義Table 3 Definition of material properties of buried pipeline

3 結(jié)果及分析

3.1 不同工況下埋地管道應(yīng)力分布

埋地管道不同土靜壓和運(yùn)行壓力作用下的應(yīng)力分布如圖4 所示。圖4（a）～（e）所示應(yīng)力峰值表明，當(dāng)管道上方的土靜壓一定時(shí)，埋地管道的應(yīng)力水平將隨著管內(nèi)流體壓力升高而升高；當(dāng)管道上方土靜壓為0.2 MPa、管內(nèi)流體壓力由2 MPa 增長至6 MPa 過程中，埋地管道的最大應(yīng)力由282 MPa 增長至353 MPa，整個(gè)過程埋地管道未發(fā)生屈服，最小安全系數(shù)為1.02；ASME B31G-2012 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，埋地管道的安全系數(shù)[24]不應(yīng)低于1.25，但此安全系數(shù)為考慮了動(dòng)載效應(yīng)的綜合安全系數(shù)，在文中施加載荷時(shí)已加入了1.25 的動(dòng)載系數(shù)，故此時(shí)得到的埋地管道安全系數(shù)大于1 即可證明管道安全，即上述結(jié)果對(duì)應(yīng)的管道運(yùn)行狀態(tài)為安全狀態(tài)。圖4（a）～（e）所示應(yīng)力分布表明，當(dāng)管道上方的土靜壓不變時(shí)，埋地管道的應(yīng)力峰值點(diǎn)將隨著管內(nèi)流體壓力升高而逐漸轉(zhuǎn)移至折角區(qū)域管道的下表面。當(dāng)管道上方土靜壓增長時(shí)，管道整體應(yīng)力水平逐漸提升，且管道上方逐漸產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)管道上方土靜壓達(dá)到0.3 MPa 時(shí)，管道流體壓力僅為2 MPa 時(shí)管道上表面已出現(xiàn)大面積屈服失效；當(dāng)管道上方土靜壓達(dá)到0.32 MPa 時(shí)，管內(nèi)流體壓力為0 時(shí)管體折角處已經(jīng)發(fā)生屈服。從埋地管道不同土靜壓及管內(nèi)流壓作用下的應(yīng)力變化可知，土靜壓對(duì)埋地管道工作過程的應(yīng)力水平影響程度遠(yuǎn)高于管內(nèi)流壓。

圖4 不同土靜壓及流體壓力作用下埋地管道應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of buried pipeline under different soil static pressure and fluid pressure

3.2 埋地管道使用安全性評(píng)價(jià)

為分析埋地管道不同工況下使用安全性，提取了埋地管道最大應(yīng)力隨管道上方土靜壓及管內(nèi)流壓變化情況如圖5 所示。由圖示結(jié)果可知，隨著管道上方的土靜壓升高，埋地管道的使用安全性急劇下降，當(dāng)埋地管道土靜壓不超過0.2 MPa 時(shí)，安全的管內(nèi)壓力可達(dá)6 MPa；當(dāng)埋地管道上方土靜壓超過0.32 MPa 時(shí)，管道未通流體的初始狀態(tài)即為危險(xiǎn)工況；管內(nèi)壓超過2 MPa 時(shí)，曲線凸凹性發(fā)生改變，此現(xiàn)象說明管內(nèi)壓力不超過2 MPa 時(shí)，土靜壓為管道應(yīng)力峰值影響的主要因素，當(dāng)管內(nèi)壓力達(dá)到3 MPa時(shí)，內(nèi)壓對(duì)管道應(yīng)力影響開始占據(jù)主導(dǎo)地位。在所研究工況下，埋地敷設(shè)的大管徑管道，其安全土靜壓應(yīng)不超過0.32 MPa，實(shí)際管道敷設(shè)時(shí)可參照?qǐng)D4 及圖5所示結(jié)果完成敷設(shè)。

圖5 埋地管道不同土靜壓及管內(nèi)流壓下應(yīng)力峰值變化Fig.5 Peak stress variation of buried pipeline under different soil static pressure and flow pressure in the pipe

4 結(jié)論

基于數(shù)值模擬手段，對(duì)高寒地區(qū)大管徑埋地管道工作過程的應(yīng)力分布和安全特性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）埋地管道存在折管段時(shí)，在載荷作用下，埋地管道的折角區(qū)域相較于其余直管段的應(yīng)力水平更高。

（2）管道上方的土靜壓一定時(shí)，埋地管道的應(yīng)力水平將隨著管內(nèi)流體壓力升高而升高。

（3）埋地管道上方土靜壓增長時(shí)，管道整體應(yīng)力水平逐漸提升，且管道上方逐漸產(chǎn)生應(yīng)力集中，土靜壓對(duì)埋地管道工作過程的應(yīng)力水平影響程度遠(yuǎn)高于管內(nèi)流壓。

（4）所研究工況下埋地敷設(shè)的大管徑管道，其安全的覆土靜壓不應(yīng)超過0.32 MPa。