熱力耦合作用下直埋熱力管道破裂的有限元分析

金仁虎

（中國聯合工程公司，浙江杭州310052）

熱力耦合作用下直埋熱力管道破裂的有限元分析

金仁虎

（中國聯合工程公司，浙江杭州310052）

在運輸項目中，管道作為重要的工具，占有重要的地位。通過管道可以運輸氣體或液體，能夠進行全國乃至世界資源的調配。在能源運輸的過程中，管道運輸是一種安全、經濟的方式。在社會的不斷發展中，土地的占用面積不斷增多，地下管道的使用越來越被重視，因此，管網直埋形式的使用越來越普遍。直埋管道有很多的優勢，但也存在一些問題，主要針對熱力耦合作用下直埋熱力管道破裂的有限元分析進行了探討。

熱力耦合作用；熱力管道；有限元分析；鑄鐵管

1 直埋熱力管道破裂的影響因素

直埋熱力管道的破壞受到很多因素的影響，且在不同的影響作用下導致其特征也不相同。

1.1 管道自身的特性

1.1.1 管道材料

如果使用不同的管道材料，則管道會具有不同的性質，因此，會導致管道出現一定的變形問題，一般的管道主要用的是鋼管、鑄鐵管等，不同材料的性質大不相同。根據當前物理分析的情況我們可以知道，有的材料具有一定的抗腐蝕性，比如鑄鐵管，但其抗震能力比較差，管體組織疏松。一般的鋼管特點主要有質量輕、整體性強，但也具有一定的缺陷，即承受外荷載的穩定性較差，不具有一定的耐腐蝕性。總而言之，材料的特點對于管道破裂的影響非常大，因此，需要注意管道材料方面的問題。

1.1.2 管徑和壁厚

管道的直徑能直接影響管道的抗震能力。壁厚問題也對抗震能力有所影響，直徑越大，管壁越后，抗震能力就越強。

1.1.3 管道埋深

由于不同地區的地質情況不一樣，因此，在管道埋深的問題上也有很多的不同，一般管道埋置于地下的深度都是有限的，如果埋深越深，則管道的軸向應力也就越大，且彎曲應力不會隨著管道埋深的變化而變化。

1.2 流體特性

一般造成管道破裂的原因還包括管道內部流體的性質，即如果熱力直埋管道內的流體溫度產生一定的變化，就會出現熱脹冷縮的情況，這對管道的影響較大。

1.3 場地條件影響

埋置管道的地質條件對管道有很大的影響，因為管道是直接埋入土壤中的，因此，土壤中的各種成分都有可能造成管道的破裂，比如土壤的鹽度、酸度以及一些微生物等都可能對管道產生一定的影響。

2 直埋熱力管道破裂的有限元分析

2.1 熱力耦合問題

所謂“熱力耦合”，主要是指結構與溫度場之間的關系和作用。熱力耦合問題在很多的領域中都出現過，比如在一些機械工程的切削加工以及擠壓成型等問題中。目前人們采用的有限元法還處于初級階段，特別是因為三維變形接觸情況復雜，實際模型和網格劃分要求高，儲存量大。但隨著有限元分析軟件ADINA的不斷開發，可得出很多重要的結論。目前，ADINA的使用越來越廣泛，在有限元分析軟件的不斷發展中，其已經應用于各個方面，比如材料加工、航空航天、機械制造、電子電器、生物力學、能源等領域，ADINA系統基于有限元方法，適用于求解結構、溫度和流體等多領域工程問題的研究。

2.2 有限元建模

在分析管道的實際運行環境時，可采取parasolid建模的方式建立結構模型。一般可采取的尺寸為7 m×10 m×8 m，假設場地是雙層結構，需要將上、下兩層地質分開設置，下層主要是基石，上層則是土壤，且要注意斷層切斷場地的巖土層情況出現，管道是跨越斷層進行鋪設的。在一般的ADINA建模的過程中，需要注意材料能夠隨著溫度的變化而變化，且需要注意溫度的限定是有一定的標準的。

2.3 參數選擇與求解控制

根據實際情況模擬現狀，所有材料的性能參數見表1.

2.4 約束和荷載

根據斷層的情況分析，斷層兩盤的運動中，一般一盤緊接著另一盤運動。根據實際情況進行模擬發現，斷層下盤基巖的底部都是固定的。此時，需要考慮斷層位移以及管道內力及重力荷載等問題。斷層位移施加于結構模型之中，沿著斷層傾向，同時，管道壓力取2 MPa在管道內壁進行試驗，將溫度荷載在熱力模型中施加，在管道內壁施加初始溫度約為20℃。

表1 材料性能

2.5 網格劃分以及熱力耦合求解

在計算的過程中，為了保證過程順利，需要注意熱力模型與結構模型的單元劃分、網格劃分保持一致，具體的單元參數如表所示。

表2 單元組參數

2.6 運行時可能出現的問題及解決方式

2.6.1 計算中斷

根據時間函數的設定，需要注意的是，運用ADINA進行程序設計時可能會導致某一步驟的中斷，比如一般會提示“Out of balance，load too large，using automatic method might help”；在運算的過程中，有可能會造成模型應力集中點達到了極限應力，進而造成計算中斷，這種情況下，可以在計算時把這一單元設定為四單元，且將這一單元退出計算，從而避免計算中斷的情況。

2.6.2 計算不收斂

ADINA一般會提示“No convergence，interation limit teached，using automatic method might help”。當提示這一信息時，就需要注意子步、迭代次數的設置，因此，需要注意在analysis option中設置自動選擇時間步長的選項，或增加迭代的次數，從而不斷減小步長來解決這一問題。

3 結束語

管道使用數量越來越多，管道安全事故頻發，對此，我們應采取一些措施來應對，特別是在影響直埋熱力管道破裂的各種問題中，需要注意斷層、管道內部流體溫度對管道的影響，因此，筆者提出了2點基本建議：①在管道埋設時，需要注意躲避一些斷層區域，這些區域易造成管道的變形、破裂。但如果無法避開，則需要注意在管道與斷層交接處進行一定的處理，比如可以采取做預應力拱梁的方式，就能減少斷層對管道的破壞。②需要注意避免因管道內部流體的溫度變化而造成的管道破裂，即需要注意管道內部溫度升高而產生的問題，我們可以采取一些彈性模量較大的材料，這些材料能夠有效應對管道剪力等問題。這樣可以很好地解決管道問題，并不斷減弱熱力耦合作用對管道的影響。

［1］洪學娣，商永鵬.淺析直埋熱力管道泄漏的主要原因［J］.山西建筑，2009（01）.

［2］徐寶平，孫樹林.供熱管道直埋敷設技術的探討［J］.煤氣與熱力，1999（02）.

［3］王進忠.直埋供熱管網熱脹內力計算［J］.煤氣與熱力，1990（04）.

〔編輯：張思楠〕

TU995.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.120

2095－6835（2017）18－0120－02