燃氣管道定向鉆段與開挖敷設段無彎管連接

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,在與開挖敷設段連接時,施工圖設計多采用加設彎管的連接方式。施工中彎管連接需要按照開挖敷設段設計溝底(簡稱設計溝底)標高切除穿越段多余管頭,加設彎管,與開挖敷設段連接。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彎管而利用管道自身柔性實現定向鉆出入土端直線段與開挖敷設段的連接,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《輸氣管道工程設計規范》第4.3.15條第2款要求,彈性敷設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,垂直面上彈性敷設管道的曲率半徑還應大于管在自重作用下產生的撓度曲線的曲率半徑。有設計單位根據此條規范,認為無彎管連接的曲率半徑不能滿足該要求,或經過溝通認為可在一定的小角度范圍內采用無彎管連接,但建設單位已經采購的小角度彎管利用不上,造成浪費。

在施工現場,也出現了開挖量不足、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。施工單位現場經驗存在一定局限性,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,在相應的安全系數下,是否能夠保證安全使用以及各項管道結構計算是否在安全范圍內,均未考慮。

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

本文通過對無彎管連接的特點分析,選擇相應的計算模型,給出完整的結構計算方法,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管道,相關參數與計算主要依據GB 50251—2015、GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》。

2 無彎管連接參數、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。結合施工現場實際,本文認為出入土角構成的直角三角形(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,自然下降到設計溝底的位置為C′;點C橫坐標小于0時,自然下降到設計溝底的位置為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彎曲變形量時,一般采用材料力學中的梁模型[2]。開挖敷設段覆土之后,覆土對于管道有一定嵌固作用,根據GB 50251—2015第4.3.15條及條文說明,連續開挖敷設段約束處于簡支梁與固定梁的中間狀態。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。根據孔內管道約束特點,采用簡支單側伸臂梁模型[4]進行計算,見圖4。圖3中的點A、N、C與圖4相對應。

圖4 簡支單側伸臂梁模型

根據簡支單側伸臂梁模型,結合鉆孔內管道約束特點,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l1=l2=l,最大彎矩出現在點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

根據實測,考慮了現場的測量誤差、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,同樣懸空段長度下撓度越大;懸空段長度超過15 m后,撓度增大明顯。

圖5 不同規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,假設點C橫坐標,求出相關幾何量,進行結構計算,需滿足結構計算要求。如不滿足,則根據結構計算結果調整點C橫坐標,直至滿足結構計算要求為止,此時的開挖長度為最小開挖長度。

3.1 幾何量計算

根據圖3可知,點C自然下降到設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lN——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 結構計算

① 應力計算式

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

(11)

(12)

(13)

式中σa——組合軸向應力,MPa

p——設計壓力,MPa

δ——管道壁厚,m

σb——彎曲應力,MPa

σh——內壓產生的環向應力,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計算[3]126-136,兩種計算方法本質相同。采用材料力學中彎矩與抗彎截面系數計算的計算式[3]136為:

(14)

(15)

式中W——鋼管的抗彎截面系數,m3

式(14)中,彎曲段管道外側為拉應力取正值,內側為壓應力取負值。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GB 50423—2013第3.2.2條、第4.4.2條、第4.4.3條,軸向應力、環向應力、當量應力校核公式為:

[σ]=FΦσs

(16)

(17)

(18)

(19)

式中 [σ]——許用應力,MPa

F——強度設計系數

Φ——鋼管焊縫系數,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 基本參數計算。設計壓力、鋼管鋼級、管道規格、地區等級、定向鉆出入土角度、開挖敷設段溝底深度等參數已知時,根據式(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。

② 假設能夠自然下降到開挖敷設段溝底的點C初始橫坐標為0,根據式(2)、(7)計算得到點C撓度,根據式(8)計算得到懸空段長度,根據式(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,可增大假設的點C橫坐標,重復步驟②～③。

⑤ 試算一定次數后,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

某城鎮燃氣高壓管道項目,設計壓力4.0 MPa,采用L360N無縫鋼管,管道規格為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,地區等級二級,強度設計系數0.6,許用應力216 MPa,定向鉆出入土角5°,開挖敷設段溝底深度1.6 m。定向鉆段與開挖敷設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、設計壓力、出入土角度、開挖敷設段溝底深度等具有一定的代表性。

算例中歷次試算結果見表2。

表2 算例中歷次試算結果

經過一定次數的試算得知,-7.30 m是滿足結構計算要求的點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

設計壓力不變,內壓產生的環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。要滿足結構計算要求,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 許用應力為關鍵因素

算例采用了較為常見的鋼級,強度設計系數為0.6。在城鎮燃氣工程中,在高壓A設計壓力下,三級、四級地區是較常見的地區等級,若采用0.3～0.4的強度設計系數,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,該種連接方式應經過計算校核滿足相關要求后使用。

③ 壁厚的影響

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

表3 不同壁厚的計算結果

5 結論

① 在小管徑、小出入土角情況下,定向鉆段與開挖敷設段無彎管連接方式有一定的簡便性。根據約束特點分析,選擇采用簡支單側伸臂梁模型來計算撓度與彎矩,根據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段無彎管連接方式的結構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鍵影響因素。

④ 當許用應力較低時,無彎管連接方式應經過嚴格計算校核后使用。