隧道內天然氣過江管道局部受力分析

上海燃氣工程設計研究有限公司 蔣 雁

為了進一步完善和優化上海市天然氣主干管網，加快長三角區域天然氣主干管網互聯互通，將實施崇明島-長興島-浦東新區五號溝 LNG 站管道工程項目。該天然氣管道設計壓力6.0 MPa，管徑DN800，需兩次隧道穿越長江，隧道長度分別約為8.2 km和7.0 km。項目推進中，通過對關鍵施工工藝及安全運維技術的深入研究，如隧道內混凝土平臺設計和施工、隧道內充水環境下天然氣管道的抗浮設計和施工、管道的安全運行維護、隧道的高效施工技術及工序研究等，明確施工工藝，為工程建設的順利開展提供可靠的技術保障，也將對我國超長距離水底隧道的建設起到示范作用。

1 工程概況

1.1 隧道內管道布置

根據“小直徑長距離過江隧道及天然氣管道施工關鍵技術研究”及“上海市天然氣主干管網崇明島-長興島-浦東新區五號溝 LNG 站管道工程初步設計”，本工程隧道內管道采用一側布置，在圓隧道內布置一根φ813的輸氣鋼管，采用支架支撐，管道上方設防浮塊，布置橫斷面如圖1。

圖1 隧道內管道布置橫斷面

1.2 隧道內技術措施

過江管隧道采用水作為填充物。水填充環境對管道防腐層的防水要求較高，并對管道抗浮有一定要求。通過前期課題研究，已確定隧道內設置滑動支架，支架間距為10 m，于隧道兩側岸上分別設置一處錨固墩。管道防浮措施選用防浮配重塊的形式，但是由于本項目隧道內徑3.4 m，內部操作空間比較小，考慮到防浮塊吊裝安裝空間和懸臂吊的吊裝重量均有設限，最終確定每10 m管道長度內設置30塊(支架兩側各 15塊)，如圖 2。防浮塊為厚度200 mm的半圓形，下部伸出管道中心線200 mm，單塊長度為300 mm，單塊重量303.45 kg，見圖3。

圖3 防浮塊安裝正視

2 管道局部受力分析的計算

2.1 計算參數

管道口徑：D813×15.9 mm；

材質：L415M直縫埋弧焊鋼管；

安裝溫度：20 ℃；

計算溫度：20 ℃；

隧道內直管支架間距：L=10 m(滑動支架)。

各載荷取值：

計算壓力：p1=6.0 MPa；

試壓壓力：HP=9.0 MPa(水壓試驗時)；

管道自重：W=3 063 N/m；

防浮塊重量：F1=8 921 N/m；

浮力：U1=－3 328 N/m；

水重(水壓試驗時)：WW=4 697 N/m。

2.2 CAESARⅡ應力分析計算

通過壓力管道應力分析專業軟件 CAESARⅡ對管道進行常規應力分析，使用簡單桿為最基本單元的管系模型來進行計算。該項目中取三個支架的防浮塊作為基本單元，相應的管道長度為29.6 m，如圖4，按下列8種不同工況進行應力分析計算：

圖4 CAESARⅡ計算管道示意

工況1：管道安裝完成后，暫不吊裝防浮塊，管道進行水壓試驗(載荷包括：W+WW+HP)；

工況2：管道安裝完成后，暫不吊裝防浮塊，管道通氣運行(載荷包括：W+P1)；

工況3：僅管道安裝完成后，空管狀態(載荷包括：W)；

工況4：管道及防浮塊安裝完成，隧道內未充水，空管狀態(載荷包括：W+F1)；

工況5：管道及防浮塊安裝完成，隧道內充水完成，管道進行水壓試驗(載荷包括：W+WW+HP+U1+F1)；

工況6：管道及防浮塊安裝完成，隧道內未充水，管道通氣運行(載荷包括：W+P1+F1)；

工況7：管道及防浮塊安裝完成，隧道內未充水，管道進行水壓試驗(載荷包括：W+WW+HP+F1)；

工況8：管道及防浮塊安裝完成，隧道內充水完成，管道通氣運行(載荷包括：W+P1+U1+F1)。

經計算，一次應力最不利工況為工況7，環向應力為254 201.4 kPa(許用應力415 000 kPa，滿足規范要求)。

3 ABAQUS對管道應力的計算

由于超長距離隧道內天然氣過江管道在施工及運行時受力情況特殊，僅對管道進行常規的應力分析無法校驗其結果的準確性。ABAQUS軟件被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，可以分析復雜的固體力學結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大復雜的問題和模擬高度非線性問題，通過ABAQUS對管道進行應力分析，可對已有計算結果進一步校核。該項目選取了符合管道在施工、運行中實際產生的工況，應用ABAQUS進行簡單應力分析校核，并與CAESARⅡ計算結果進行比較。

3.1 模型基礎數據

3.1.1 取三個支架的防浮塊進行受力分析，其中主要觀察中間跨管道的應力情況。模型以mm為單位，運用有限元軟件ABAQUS建立三維實體部件，如圖5所示：管道長度30 500 mm(支座與管道接觸的環寬度為 500 mm)，管道材料為 L415M，密度為7.85×10－6kg/mm3，彈性模量 206 000 MPa，泊松比 0.3，線膨脹系數 16×10－6mm/(mm?℃)。

圖5 ABAQUS計算模型

3.1.2 計算工況的選擇

CAESARⅡ計算時共列出8種工況，按正常施工順序，會先后出現工況3、工況4、工況7、工況6、工況8。其中工況8為施工完成后穩定運行的工況，其余工況在正常的施工、運行中不會出現，計算的原因是由于在計算前管道受力情況不明確，考慮若計算得出在正常施工順序的作用下管道應力超出許用應力，則應先進行水壓試驗，完成后在通氣運行的工況下最后安裝防浮塊。因CAESARⅡ計算得出8種不同工況下，管道最大應力均不超出管道材料的許用應力范圍，故管道可按正常順序施工，不再計算分析工況1、工況2、工況5。

用ABAQUS進行分析計算時，各載荷取值與CAESARⅡ一致，載荷代號也與前述一致，組合工況詳見表1。

表1 載荷組合工況

表1中，因工況3、工況8兩種工況下管道受力可判斷分別小于工況4、工況6，故不再對工況3、工況8兩種工況進行計算。另外，隧道內管道在施工、運行過程中不受風荷載，管道的抗震設計在管道整體受力分析中另行計算，本次分析計算中不再考慮風和地震的作用。

3.1.3 應力分析

首先創建 4個載荷：①管道自重+防浮塊重量11 984 N/m；②試驗水壓9.0 MPa(內壓)；③試壓水重4 697 N/m；④管道運行氣壓6.0 MPa(內壓)。然后根據施工進程，創建3個可能產生最不利應力的分析步：

(1) 管道安裝完成后，在管道上添加防浮塊，施加載荷①，即管道自重+防浮塊重量，受力情況與CAESARⅡ計算時的工況4相同。

(2) 管道及防浮塊安裝完成后充水試壓，施加載荷①、載荷②、載荷③，即管道自重+防浮塊重量+水壓試驗，受力情況與CAESARⅡ計算時的工況7相同。

(3) 管道及防浮塊安裝完成后充氣運行，施加載荷①及載荷④，即管道自重+防浮塊重量+氣壓運行，受力情況與CAESARⅡ計算時的工況6相同。

設置邊界條件：根據滑動支座特性，支座放在隧道內平臺上，與平臺上鋼板無連接，左右有限位角鋼焊接于平臺上，防止支座在管道環向出現位移，故支座實體部件在Y的負方向、X的正負方向有限位約束(因支座在管道的徑向無約束，管道與支座之間無相對位移)。

經計算，各工況下管道應力結果分別見圖6、圖7和圖8(變形顯示為實際變形的200倍)。

圖6 工況4應力計算結果

圖7 工況7應力計算結果

圖8 工況6應力計算結果

工況4管道受力為2.92 ～33.45 MPa之間，工況7受力在5.688 ～254.7 MPa之間，工況6受力在3.421 ～175.1 MPa之間，每個工況的受力較小處均在受支座約束的500 mm寬度范圍內。三種受力工況中，應力最不利工況出現在工況 7(即管道自重+防浮塊重量+水壓試驗)中，最大應力為254.7 MPa，出現在管道支座邊緣，與CAESARⅡ的計算結果相符。

4 結語

在管道實際應力工況下，選取幾個可能產生最不利應力的工況，通過ABAQUS軟件對管道應力進行校核。經過計算，“管道自重+防浮塊重量+水壓試驗”工況下管道所受應力最大，為254.7 MPa，與CAESARⅡ應力分析計算結果中“一次應力最不利工況為工況7、最大應力為254.2 MPa”的結果相一致，均在管道材料的許用應力 415 MPa范圍內。

通過CAESARⅡ和ABAQUS兩個不同計算軟件對管道應力的計算，得出一致的結果，可驗證計算的模型、參數設置的準確性，確保天然氣過江管道在增加大量防浮配重塊后的管道強度能滿足許用應力的要求。