燃氣管道定向鉆段與開挖敷設(shè)段無彎管連接

石丹陽, 黃 飚, 張 鳴, 陳賜銘, 段保偉

(1.中裕(河南)能源控股有限公司,河南鄭州450000;2.中裕城市能源投資控股(深圳)有限公司,廣東深圳518049)

1 問題的提出

1.1 無彎管連接

鋼質(zhì)燃氣管道水平定向鉆穿越段的出入土端與地面有一定夾角,在與開挖敷設(shè)段連接時,施工圖設(shè)計多采用加設(shè)彎管的連接方式。施工中彎管連接需要按照開挖敷設(shè)段設(shè)計溝底(簡稱設(shè)計溝底)標高切除穿越段多余管頭,加設(shè)彎管,與開挖敷設(shè)段連接。在具體施工過程中,小管徑(一般DN 300 mm以下)、小出入土角的情況下,施工單位更傾向不加設(shè)彎管而利用管道自身柔性實現(xiàn)定向鉆出入土端直線段與開挖敷設(shè)段的連接,即在出入土端直線段開挖一部分土方,利用管道自重形成的撓曲線,使管道下降至設(shè)計溝底,本文稱該種連接方式為無彎管連接。彎管連接和無彎管連接見圖1。

圖1 彎管連接和無彎管連接

彎管連接需要精準切割管頭,彎管的對口與焊接比直管道難度高,且對口與焊接均為2次。無彎管連接無須切割管頭,對口及焊接難度降低且只需要1次。焊接完成后,還需要焊縫外觀與無損檢測,檢測合格后,進行焊口防腐以及相關(guān)檢測,然后回填。在出入土端直線段開挖雖然增加了一定的土方量,但施工仍較為簡便,尤其適用于地下水位較高或土質(zhì)較差、人員在溝底操作困難的地段。

1.2 問題的提出

GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》第4.3.15條第2款要求,彈性敷設(shè)管道的曲率半徑應滿足管子強度要求,且不應小于鋼管外直徑的1 000倍,垂直面上彈性敷設(shè)管道的曲率半徑還應大于管在自重作用下產(chǎn)生的撓度曲線的曲率半徑。有設(shè)計單位根據(jù)此條規(guī)范,認為無彎管連接的曲率半徑不能滿足該要求,或經(jīng)過溝通認為可在一定的小角度范圍內(nèi)采用無彎管連接,但建設(shè)單位已經(jīng)采購的小角度彎管利用不上,造成浪費。

在施工現(xiàn)場,也出現(xiàn)了開挖量不足、定向鉆穿越段管道不能下降到溝底、采用挖機下壓懸空管道導致管道變形的事故。施工單位現(xiàn)場經(jīng)驗存在一定局限性,施工階段控制指標僅為管道自然下降至溝底時管道無可見變形,對于管道通氣后特別是高壓管道,在相應的安全系數(shù)下,是否能夠保證安全使用以及各項管道結(jié)構(gòu)計算是否在安全范圍內(nèi),均未考慮。

現(xiàn)階段尚無明確的計算方法,來判斷無彎管連接在各項參數(shù)條件下的適用范圍,以及計算得出安全范圍內(nèi)的開挖長度。

本文通過對無彎管連接的特點分析,選擇相應的計算模型,給出完整的結(jié)構(gòu)計算方法,判斷無彎管連接適用范圍并計算最小開挖長度。需要說明的是,本文主要討論的是鋼質(zhì)管道,相關(guān)參數(shù)與計算主要依據(jù)GB 50251—2015、GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》。

2 無彎管連接參數(shù)、計算模型選取

2.1 定向鉆曲率半徑、小角度與小管徑范圍

① 定向鉆曲率半徑、小角度范圍

GB 50423—2013第5.1.2條和第5.1.3條規(guī)定,穿越管段曲率半徑不宜小于1 500倍鋼管外直徑,且不應小于1 200倍鋼管外直徑。入土角宜為6°～20°,出土角宜為4°～12°,較小的出入土角度有助于降低回拖力及連接施工難度。結(jié)合施工現(xiàn)場實際,本文認為出入土角構(gòu)成的直角三角形(見圖2)中,出入土角α的鄰邊長度偏差p小于等于0.01為小角度。

圖2 出入土角構(gòu)成的直角三角形

圖中α——定向鉆出入土角,(°)

la——α對邊長度,m

lb、lc——α的2條鄰邊長度,m

p的計算式為:

(1)

式中p——出入土角α的鄰邊長度偏差

由式(1)計算得出α≤8.11°,因此本文定義出入土角4°～8°為小角度范圍。在一般定向鉆的設(shè)計深度(一般不小于3～4 m)下,按照軌跡計算方法[1],在出入土角為4°～8°,穿越管段曲率半徑不宜小于1 500倍鋼管外直徑,且不應小于1 200倍鋼管外直徑的參數(shù)下,定向鉆在出入土點至底部直線段的軌跡,與管道自重形成的撓曲線相比,可近似認為是直線以簡化計算,下文對這種簡化計算的誤差結(jié)合實際進行了分析,可滿足工程計算需求。

② 小管徑范圍

根據(jù)管道在實際施工中柔性特點以及下文的理論計算,取DN 300 mm及以下管徑為小管徑,現(xiàn)階段管道特別是高壓管道的小管徑一般為DN 200～300 mm,壁厚為6.3～9.5 mm。由于管徑較小,為方便計算,取管道軸線代替管道進行相關(guān)幾何量計算,不考慮管徑對幾何量計算的影響。

2.2 幾何模型的建立

為方便計算,建立幾何模型計算坐標系,見圖3。設(shè)計溝底深度為h,點B為定向鉆管道與地面線的交叉點,坐標為(0,h)。點C為定向鉆管道可自然下降到設(shè)計溝底的管端,點C橫坐標可能大于、等于或小于0。點C橫坐標大于0時,自然下降到設(shè)計溝底的位置為C′;點C橫坐標小于0時,自然下降到設(shè)計溝底的位置為C″。點N、C之間為懸空段。點N為定向鉆管道懸空段與鉆孔內(nèi)段的分界點。點N橫坐標絕對值為從出入土端向定向鉆方向開挖的長度。圖3中綠色曲線段為NC′,紫色曲線段為NC″。點A位于定向鉆出入土直管段并處于鉆孔中。

圖3 幾何模型計算坐標系

直線ABC的方程為:

y=tanα·x+h

(2)

2.3 約束特點及梁計算模型選取

① 定向鉆段約束特點

計算埋地燃氣管道彈性敷設(shè)彎曲變形量時,一般采用材料力學中的梁模型[2]。開挖敷設(shè)段覆土之后,覆土對于管道有一定嵌固作用,根據(jù)GB 50251—2015第4.3.15條及條文說明,連續(xù)開挖敷設(shè)段約束處于簡支梁與固定梁的中間狀態(tài)。簡支梁一端為固定鉸支座,另一端為可動鉸支座;固定梁兩端均為固定端[3]92-93。典型的定向鉆管道主體近似為U字形,擴孔后定向鉆孔徑一般為管道外直徑的1.2～1.5倍[1],管道軸向位移不受鉆孔約束。

② 計算模型選取

向定向鉆方向開挖一定距離后,部分定向鉆管段懸空,在小角度下,近似成為伸臂梁。根據(jù)孔內(nèi)管道約束特點,采用簡支單側(cè)伸臂梁模型[4]進行計算,見圖4。圖3中的點A、N、C與圖4相對應。

圖4 簡支單側(cè)伸臂梁模型

根據(jù)簡支單側(cè)伸臂梁模型,結(jié)合鉆孔內(nèi)管道約束特點,孔中支座A反力最小為0且不能為負值。取支座反力為0的點為點A,有l(wèi)1=l2=l,最大彎矩出現(xiàn)在點N,最大撓度位于點C,點N彎矩與點C撓度計算式為[3]131,[4]:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中M——點N彎矩,N·m

q——單位長度管道自重荷載,N/m

l——懸空段長度(點N、C間距離),m

f——點C撓度,m

E——鋼材彈性模量,Pa,2.06×1011Pa

I——鋼管的慣性矩,m4

D——鋼管的外直徑,m

d——鋼管的內(nèi)直徑,m

ρ——鋼材密度,kg/m3,為7 850 kg/m3

g——重力加速度,m/s2,為9.8 m/s2

實際施工過程中對管道點C撓度進行測量,與計算值進行對比,見表1,相對誤差計算以計算值為真值。

表1 點C撓度計算值與測量值對比

根據(jù)實測,考慮了現(xiàn)場的測量誤差、鉆孔不能形成嚴格意義的簡支梁支撐,以及鉆孔在泥漿浸潤之后在管道作用下會產(chǎn)生一定的變形等因素,認為采用該計算模型仍能夠滿足工程計算精度。

對不同規(guī)格的鋼管進行撓度計算,見圖5。從圖5可知,管道外直徑越小,同樣懸空段長度下?lián)隙仍酱?懸空段長度超過15 m后,撓度增大明顯。

圖5 不同規(guī)格鋼管的撓度隨懸空段長度的變化

3 計算與分析方法

為求最小開挖長度,假設(shè)點C橫坐標,求出相關(guān)幾何量,進行結(jié)構(gòu)計算,需滿足結(jié)構(gòu)計算要求。如不滿足,則根據(jù)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果調(diào)整點C橫坐標,直至滿足結(jié)構(gòu)計算要求為止,此時的開挖長度為最小開挖長度。

3.1 幾何量計算

根據(jù)圖3可知,點C自然下降到設(shè)計溝底需要的撓度與點C縱坐標相等,即有:

f=yC

(7)

式中yC——點C縱坐標,m

根據(jù)撓度f由式(4)計算懸空段長度l,計算式為:

(8)

需要由點B向定向鉆方向沿x軸開挖的長度計算式為:

lN=l-xC

(9)

式中l(wèi)N——開挖長度,m

xC——點C橫坐標,m

點N的開挖深度計算式為:

hN=tanα·lN

(10)

式中hN——點N的開挖深度,m

3.2 結(jié)構(gòu)計算

① 應力計算式

根據(jù)上文可知,定向鉆管道軸向位移不受鉆孔約束,根據(jù)GB 50423—2013第4.4節(jié),不需要計算溫度變化引起的軸向應力和軸向穩(wěn)定性,重點為強度計算。根據(jù)GB 50423—2013第4.4.2條,定向鉆管道組合軸向應力(由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應力與彎曲產(chǎn)生的軸向應力組成)、環(huán)向應力、彎曲應力計算式分別為:

(11)

(12)

(13)

式中σa——組合軸向應力,MPa

p——設(shè)計壓力,MPa

δ——管道壁厚,m

σb——彎曲應力,MPa

σh——內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應力,MPa

R——彎曲段曲率半徑,m

彎曲應力的計算,可采用式(13),也可采用材料力學中彎矩與抗彎截面系數(shù)計算[3]126-136,兩種計算方法本質(zhì)相同。采用材料力學中彎矩與抗彎截面系數(shù)計算的計算式[3]136為:

(14)

(15)

式中W——鋼管的抗彎截面系數(shù),m3

式(14)中,彎曲段管道外側(cè)為拉應力取正值,內(nèi)側(cè)為壓應力取負值。按照最不利條件,校核許用應力時組合軸向應力計算式中彎曲應力取正值,校核當量應力時組合軸向應力計算式中彎曲應力取負值。

② 應力校核

根據(jù)GB 50423—2013第3.2.2條、第4.4.2條、第4.4.3條,軸向應力、環(huán)向應力、當量應力校核公式為:

[σ]=FΦσs

(16)

(17)

(18)

(19)

式中 [σ]——許用應力,MPa

F——強度設(shè)計系數(shù)

Φ——鋼管焊縫系數(shù),取1

σs——鋼管最小屈服強度,MPa

σe——當量應力,MPa

當式(17)、(18)、(19)均滿足時,應力校核通過。

3.3 開挖長度和開挖深度確定

采用多次試算的方法,確定開挖長度和開挖深度。具體計算步驟如下。

① 基本參數(shù)計算。設(shè)計壓力、鋼管鋼級、管道規(guī)格、地區(qū)等級、定向鉆出入土角度、開挖敷設(shè)段溝底深度等參數(shù)已知時,根據(jù)式(5)、(6)、(15),計算得到單位長度管道自重荷載、慣性矩、抗彎截面系數(shù)。

② 假設(shè)能夠自然下降到開挖敷設(shè)段溝底的點C初始橫坐標為0,根據(jù)式(2)、(7)計算得到點C撓度,根據(jù)式(8)計算得到懸空段長度,根據(jù)式(3)得到彎矩。

③ 按照式(17)～(19)進行應力校核,并判斷是否滿足應力校核要求。

④ 若不滿足應力校核要求,應減小假設(shè)的點C橫坐標,重復步驟②～③;若滿足應力校核要求,同時有一定余量,可增大假設(shè)的點C橫坐標,重復步驟②～③。

⑤ 試算一定次數(shù)后,得到剛好滿足應力校核要求的點C橫坐標,采用該值根據(jù)式(9)～(10),確定最小開挖長度與最小開挖深度。

4 算例及分析

4.1 算例

某城鎮(zhèn)燃氣高壓管道項目,設(shè)計壓力4.0 MPa,采用L360N無縫鋼管,管道規(guī)格為D273×7.1,單位長度管道自重荷載為456.0 N/m,最低屈服強度360 MPa,地區(qū)等級二級,強度設(shè)計系數(shù)0.6,許用應力216 MPa,定向鉆出入土角5°,開挖敷設(shè)段溝底深度1.6 m。定向鉆段與開挖敷設(shè)段擬采用無彎管連接方式,計算最小開挖長度與最小開挖深度。算例采用的管徑、壁厚、材質(zhì)、設(shè)計壓力、出入土角度、開挖敷設(shè)段溝底深度等具有一定的代表性。

算例中歷次試算結(jié)果見表2。

表2 算例中歷次試算結(jié)果

經(jīng)過一定次數(shù)的試算得知,-7.30 m是滿足結(jié)構(gòu)計算要求的點C橫坐標,此時需要向定向鉆段開挖長度為24.67 m,開挖深度為2.16 m。

4.2 相關(guān)分析

① 彎曲應力為組合軸向應力與當量應力的主要組成部分

設(shè)計壓力不變,內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應力與軸向應力保持不變,組合軸向應力或當量應力超標的情況均由彎曲應力過大造成。要滿足結(jié)構(gòu)計算要求,應控制彎曲應力,也就是要控制彎矩,彎矩與撓度的0.5次方成正比,最直接的方法是向定向鉆段開挖,減小撓度。

② 許用應力為關(guān)鍵因素

算例采用了較為常見的鋼級,強度設(shè)計系數(shù)為0.6。在城鎮(zhèn)燃氣工程中,在高壓A設(shè)計壓力下,三級、四級地區(qū)是較常見的地區(qū)等級,若采用0.3～0.4的強度設(shè)計系數(shù),L360管材的許用應力僅有108～144 MPa,通過應力校核較難。因此當許用應力較低時,該種連接方式應經(jīng)過計算校核滿足相關(guān)要求后使用。

③ 壁厚的影響

為驗證不同壁厚對計算結(jié)果的影響,仍采用上述算例參數(shù),僅改變壁厚分別為6.3、7.1、9.5 mm進行計算,計算結(jié)果見表3。表3表明,不同壁厚對計算結(jié)果影響較小,不是主要影響因素。

表3 不同壁厚的計算結(jié)果

5 結(jié)論

① 在小管徑、小出入土角情況下,定向鉆段與開挖敷設(shè)段無彎管連接方式有一定的簡便性。根據(jù)約束特點分析,選擇采用簡支單側(cè)伸臂梁模型來計算撓度與彎矩,根據(jù)工程實測值與計算值比較得知,撓度計算能夠滿足工程計算精度要求。

② 在管道公稱直徑不大于300 mm、出入土角為4°～8°的情況下,給出了定向鉆段與開挖敷設(shè)段無彎管連接方式的結(jié)構(gòu)計算與最小開挖長度的計算方法。

③ 彎曲應力是組合軸向應力以及當量應力的主要組成部分,許用應力為判斷該種連接方式可行性的關(guān)鍵影響因素。

④ 當許用應力較低時,無彎管連接方式應經(jīng)過嚴格計算校核后使用。