基于CAESARⅡ解決某隨橋跨越管道運行中的問題

周勤進 楊經國

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

基于CAESARⅡ解決某隨橋跨越管道運行中的問題

周勤進 楊經國

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

論述了某大型燃氣管道自然補償隨橋跨越運行中的問題，重點介紹基于CAESARⅡ軟件模擬的幾種工況，分析管道布置的合理性和影響管道運行安全的因素，并給出整改方案。

隨橋跨越；CAESARⅡ模擬；自然補償；摩擦系數

1 概述

隨橋跨越是中壓燃氣管道跨越水體的一種重要方式，由于施工周期短、經濟性好、維護便利等因素被廣泛應用。其中自然補償是解決管道應力采用較多的一種方式。在實際運行過程中，效果良好。但是對于長距離的隨橋跨越在運行過程中會遇到一定的問題，本文基于對某市隨橋敷設管道運行過程中存在的問題進行剖析。

2 工程概況

橋梁投影全長約2770m，隨橋跨越管道長度約2760m，輸送介質為天然氣，密度為0.82 kg/m3，設計壓力0.4MPa，管材為D325×8無縫鋼管，材質為20#，采用自然補償，橋臺兩側對稱布置，設計最大形變量1760mm。橋形和兩端補償方式見下圖。

圖1 某大橋燃氣管道系統布置圖

2.1 出現的問題

管道運行5年后，發現以下問題：

2.1.1 管道整體往南側偏移，北橋臺AB管段在冬季時頂住橋臺下的墻體；

2.1.2 N1支座變形，滾動摩擦變為滑動摩擦；

2.1.3 管道下方聚乙烯墊板脫落嚴重，原設計鋼與聚四氟乙烯滑動摩擦變為鋼與鋼之間的滑動摩擦，摩擦系數發生變化。

2.2 分析問題

2.2.1 經分析，造成以上問題的原因如下：

2.2.2 橋梁縱向有坡度，且兩側坡度不相等；平面呈“S”形狀，兩側弧度不相等；南北兩側光照和風向不同對管道也有一定的影響。

2.2.3 摩擦系數發生變化導致管系受力和形變發生變化；

2.3 后期運行維護中存在的主要問題：

沒有建立嚴格的變形監測管理制度，尤其是橋梁虛擬“0”點和橋臺兩側補償臂的形變監測；

2.3.1 兩側橋臺補償區域的滾動支座設計時對滾動球進行潤滑、保護，實際潤滑油年久未更換，黃油變質，導致滾珠銹蝕，滾動摩擦變為滑動摩擦；

2.3.2 架空段底部聚四氟乙烯墊板脫落，管道直接與支架接觸，導致鋼管與聚四氟乙烯之間的摩擦變為鋼與鋼之間的摩擦，摩擦系數增大。

3 CAESARⅡ軟件模擬

工況一（設計工況）： 按照兩端對稱建模，橋上管道與支座之間按鋼與聚四氟乙烯滑動摩擦考慮，摩擦系數0.2；橋臺處支座按照鋼與鋼之間滾動摩擦考慮，摩擦系數0.1（不考慮管道往南偏移）。在溫差40℃情況下，DE段管道形變為320mm，BC管段形變量為172mm，AB段管道形變量為22.1mm，其他管段形變量較小。最大應力點在50號節點（即D點），應力為144MPa，占許用應力的比例為43%，小于80%，管道柔性較好。

圖2 工況一模擬圖

工況二：運行5年后，橋梁上焊接支座上的聚四氟乙烯板掉落，變為鋼與鋼之間的滑動摩擦，摩擦系數為0.3；橋梁下方的滾動支座銹蝕，變為滑動摩擦，摩擦系數變為0.3，在溫差40℃情況下，DE段管道形變為270mm，BC管段形變量為220mm，AB段管道形變量為13.7mm，其它管段形變量較小。

最大應力點在70號節點（即A點彎頭處），應力為201MPa，占許用應力的比例為60.1%，小于80%，在安全范圍內，管道仍然可以安全運行。

圖3 工況二模擬圖

圖4 工況三模擬

4 管道安全性分析

經模擬得出，在工況一、工況二情況下運行時，管道柔性較好，管道應力較小。工況三考慮了管道倚靠橋臺的問題，當管道依靠橋臺后，繼續往南收縮，在溫差較大情況下管道破壞。

經以上模擬可知，橋上管道由原來的鋼與聚四氟乙烯之間的滑動摩擦變為鋼與鋼之間的滑動摩擦，摩擦系數增大；橋下支座滾動摩擦變為滑動摩擦，摩擦系數增大，管道的形變和應力位置和大小發生變化，但是，管道總體柔性較好。當管道往南側偏移并倚靠橋臺后，如果管道繼續膨脹，會導致管道破壞。

建議將管道虛擬“0”點復原，并采取措施限制管道往南偏移；更換兩側橋臺損壞的滾動支座。

5 結論

5.1 燃氣管道采用自然補償隨橋跨越大型橋梁時，在橋梁中間或者虛擬“0”點附近需采取限位或者固定措施，防止管道因多種原因向一側偏移。

5.2 補償臂設計時要考慮周圍空間大小并預留一定的余量，防止運行條件變化而導致管道破壞。

5.3 管道與支撐之間的摩擦系數對管道形變有較大影響，設計時要考慮摩擦系數發生變化的可能性及應對措施。

5.4 較長距離的隨橋跨越管道，采用 C AESARⅡ軟件進行補償量和應力校核，可進一步優化設計，大道更好的效果。

［1］ 唐永進. 壓力管道應力分析，北京 中國石化出版社2003

［2］ CAESARⅡ-管道應力分析計算軟件 北京 北京艾思弗軟件公司，2010

U173

A

1003-5168（2015）11-142-02

周勤進（1982- ），男，湖北天門人，工程師，注冊設備工程師（動力），大學本科，從事燃氣管道輸配、儲運設計研究工作。