長距離管線自重下沉式下置施工過程應力分析

陳 曄

(山西省機電設計研究院有限公司,山西 太原 030009)

0 引言

傳統的原水管道施工工藝一般為：測量放線→溝槽開挖→墊層施工→管材、管件、閘閥驗收及管道敷設→管道焊接及閘閥安裝→管道打壓試驗→溝槽回填。在進行下管操作前必須先處理好墊層，下管方式一般采用汽車吊裝與人工吊裝相結合的方式，自下游向上游下管，下管工藝復雜且對精度要求嚴格[1]。同時，在溝底進行管道焊接時，難度也相對較大，而管道焊接質量的好壞直接決定了原水管道整體質量的高低。尤其在沙漠工程施工中，大管徑管道施工有幾處難點：①鋼管自重較大，在沙漠中運輸有一定困難；②管道挖深較深，在限定施工作業帶內開挖和下溝都有一定的困難；③沉管法下溝，容易損傷管道的防腐層。針對這種情況，提出了采用自重下置方法進行管溝開挖和下置作業。下置過程中焊接完成的管道要在自重力的作用下自由下置，焊縫及管道本身受到較大變形[2]，期間所受應力情況對焊縫的影響尚沒有科學定論。為此，本文對敷設過程中管道形變以及焊縫應變進行了研究，以判斷該施工方式產生的應力應變是否超過管道焊縫的許用應力，進而驗證該施工方式的可行性及安全性。

1 管線下置受力分析

采用自重下置方法進行管溝開挖和下置作業的具體做法是將管道直接鋪設在預先測量好的放置點上方，然后在管道兩側各布置1臺挖掘機將管道下方的沙土挖出。工作時，要求兩臺挖掘機呈“八”字形布置、同一方向、同時作業，開挖速度保持一致，利用鋼管的自重及彈性緩慢地自然沉入溝底，從而使管道平穩鋪設至預置深度，最后完成填埋工作。

本項目中，施工管道由外徑為1 240 mm、內徑為1 200 mm、長度為10 m～12 m的管道焊接而成，按照施工方要求，管道下置距離為3 m，即管道將從沙漠表面鋪設到至表面3 m的地下。為避免施工過程中挖掘機對管道的碰傷等施工損傷發生，管道開挖放坡按照沙土類進行，其下置示意圖及管道下置完成后截面圖如圖1所示。

圖1 管線下置及下置完成后的狀態

由于整條管線是由多條管道焊接而成，為配合完成焊接工作，管道被放置在間隔約為10 m～12 m的小土堆上。管道在未開始下置時，在土堆上處于平衡狀態。開始下置過程中，當一個支撐點剛被挖掘機挖掉時，管道處于圖2所示的狀態，這時管道受到的力有：管道的重力(視為均布載荷)；A、B支撐點的支撐力Fa、Fb；DE段地面對管道的支撐力；下置完成后地面的支撐力Fc。由于地面土質為沙土，在挖掘機工作過程中，沙土容易向已挖空段流動，因此在DE段管道所受的支撐力從D點到E點逐漸變小，隨著挖掘機的繼續工作，DE段支撐力直到為0，此時管道的開始下置點受力情況最為嚴峻，如圖3所示。

圖2 管線下置過程受力示意圖

本文按照圖3所示情況對管道進行受力分析。由于管道在A段的左側還有相當長的距離處于完全平衡狀態，因此在進行受力分析時，將A段視為固定端。在固定端有支撐力Fa和彎矩Ma，在支撐點B有支撐力Fb、轉角θb，在下置點處有支撐力Fc和彎矩Mc，如圖4所示。

圖3 管線最大受力情況示意圖

圖4 最大受力狀態下管線受力分布情況

根據結構力學相關知識[3]，平衡狀態下管道受力矩陣表達式為：

(1)

取邊界條件，當管道剛接觸到下置點C時，支撐力Fc為0。管道下置距離h為3 000 mm，取向下為正，則Fa和Fb均為負值，則取a為正數時式(1)經過一系列計算簡化為：

(2)

(3)

(4)

由MATLAB計算得到一組合理解為：l=67.567 64 m，a=11.238 54 m。取BC為研究對象，計算B點處的內應力情況。

由材料力學[4，5]知識得，彎曲桿件的正應力計算公式為：

(5)

則B點的應力表達式為：

(6)

將管道已知參數代入式(6)可求得：σB=277.75 MPa。

管道材質為Q345，取安全系數為1.2，則許用應力為287.5 MPa，管道在下置過程中內應力最大值為277.75 MPa，說明管道在施工過程中處于安全狀態。若B點為焊縫所在的位置，則需要滿足焊縫的最大承受力，根據所選焊材JC-29Ni產品目錄手冊說明書，JC-29Ni斷裂前承受強度Rm為490 MPa～620 MPa，遠大于管道下置過程中的內應力最大值，說明焊縫在該施工方式下處于安全狀態。

2 仿真分析

利用ANSYS分析軟件對管道不同情況下的受力狀態進行仿真分析[6,7]。根據管道材質，選取彈性模量E=206 GPa，泊松比為0.28，密度為7 850 kg/m3。

建立管道的仿真模型，管長為80 m，其中68 m處于下置狀態，12 m處于點支承狀態，對整個管道施加重力約束，模擬管道下置的工況。該模型得到的參數值能夠近似反映管道下置過程受力嚴峻情況下的最大應力值。

計算時，對未下置段管道和地面部分建立接觸對，實現地面對未下置段的支承情況。提取管線變形云圖和管線應力云圖，如圖5、圖6所示。

由圖5可知：管道在下置方向的最大位移發生在管道末端，最大值為3 000.01 mm，接近于管道實際下置高度(3 m)。由圖6可知：管道的最大應力發生在管線下置開始時刻，最大應力值為276.308 MPa，最小值發生在管道下置觸地端，應力值約為0.114 393 MPa。仿真所得結果與理論計算值接近，均小于管道的許用應力[8，9]，也遠低于焊材的最大承載能力。

圖5 管線位移云圖

圖6 管線應力云圖

3 實際工況應力測試分析

隨機選取施工中管線節間焊縫作為測量截面，檢測該焊縫從處于平穩狀態到開始下置，直至下置完成再次處于平穩狀態全過程中的應變數值。在測量焊縫截面處沿圓周均布4個應變片，如圖7所示。

圖7 管道測點分布圖

對管道下置過程進行實時數據采集及存儲，以分析下置過程的強度變化。設置采樣頻率為單通道100 Hz，完整記錄測試焊縫的整個下置過程。圖8為4個測點在管道下置過程中的應變情況。由圖8可知：①1、2通道的數據在趨勢上基本對稱，當1通道受到拉應力時，2通道受到壓應力，受力情況基本對稱，但數值大小略有差異；②整個下置過程中，測試位置最大拉應變值為1通道的0.001 224 58，最大壓應變值為1通道的0.000 816 992。

圖8 4個通道的應變值變化情況

根據應力應變計算公式σ=Eε，取下置過程最大微應變值0.001 224 58，計算對應的應力值為：

σ=0.001 244 58×206×109=252.2 MPa.

252.2 MPa小于管道及焊縫的許用應力值，說明該施工方案就焊縫應力狀態而言具有可行性及安全性。

4 結論

本文針對沙漠輸水管線下置施工的新工藝，分析計算了管線靠自重下沉式下置過程中的應力情況。理論計算了受力嚴峻情況下焊縫的最大應力值為277.75 MPa，仿真分析了管線下置過程中的受力情況，提取最大應力值為276.3 MPa。同時，在管線實際施工過程中，通過貼應變片的方式，采集了焊縫在整個下置過程中的應變情況，計算得到最大應力值為252.2 MPa。三種方式得到的最大應力值均小于管線及焊縫的許用應力值，說明該施工方式產生的形變不影響管線及焊縫的安全性，佐證了該種施工方式的可行性。