热力耦合作用下直埋热力管道破裂的有限元分析

金仁虎

（中国联合工程公司，浙江杭州310052）

热力耦合作用下直埋热力管道破裂的有限元分析

金仁虎

（中国联合工程公司，浙江杭州310052）

在运输项目中，管道作为重要的工具，占有重要的地位。通过管道可以运输气体或液体，能够进行全国乃至世界资源的调配。在能源运输的过程中，管道运输是一种安全、经济的方式。在社会的不断发展中，土地的占用面积不断增多，地下管道的使用越来越被重视，因此，管网直埋形式的使用越来越普遍。直埋管道有很多的优势，但也存在一些问题，主要针对热力耦合作用下直埋热力管道破裂的有限元分析进行了探讨。

热力耦合作用；热力管道；有限元分析；铸铁管

1 直埋热力管道破裂的影响因素

直埋热力管道的破坏受到很多因素的影响，且在不同的影响作用下导致其特征也不相同。

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，则管道会具有不同的性质，因此，会导致管道出现一定的变形问题，一般的管道主要用的是钢管、铸铁管等，不同材料的性质大不相同。根据当前物理分析的情况我们可以知道，有的材料具有一定的抗腐蚀性，比如铸铁管，但其抗震能力比较差，管体组织疏松。一般的钢管特点主要有质量轻、整体性强，但也具有一定的缺陷，即承受外荷载的稳定性较差，不具有一定的耐腐蚀性。总而言之，材料的特点对于管道破裂的影响非常大，因此，需要注意管道材料方面的问题。

1.1.2 管径和壁厚

管道的直径能直接影响管道的抗震能力。壁厚问题也对抗震能力有所影响，直径越大，管壁越后，抗震能力就越强。

1.1.3 管道埋深

由于不同地区的地质情况不一样，因此，在管道埋深的问题上也有很多的不同，一般管道埋置于地下的深度都是有限的，如果埋深越深，则管道的轴向应力也就越大，且弯曲应力不会随着管道埋深的变化而变化。

1.2 流体特性

一般造成管道破裂的原因还包括管道内部流体的性质，即如果热力直埋管道内的流体温度产生一定的变化，就会出现热胀冷缩的情况，这对管道的影响较大。

1.3 场地条件影响

埋置管道的地质条件对管道有很大的影响，因为管道是直接埋入土壤中的，因此，土壤中的各种成分都有可能造成管道的破裂，比如土壤的盐度、酸度以及一些微生物等都可能对管道产生一定的影响。

2 直埋热力管道破裂的有限元分析

2.1 热力耦合问题

所谓“热力耦合”，主要是指结构与温度场之间的关系和作用。热力耦合问题在很多的领域中都出现过，比如在一些机械工程的切削加工以及挤压成型等问题中。目前人们采用的有限元法还处于初级阶段，特别是因为三维变形接触情况复杂，实际模型和网格划分要求高，储存量大。但随着有限元分析软件ADINA的不断开发，可得出很多重要的结论。目前，ADINA的使用越来越广泛，在有限元分析软件的不断发展中，其已经应用于各个方面，比如材料加工、航空航天、机械制造、电子电器、生物力学、能源等领域，ADINA系统基于有限元方法，适用于求解结构、温度和流体等多领域工程问题的研究。

2.2 有限元建模

在分析管道的实际运行环境时，可采取parasolid建模的方式建立结构模型。一般可采取的尺寸为7 m×10 m×8 m，假设场地是双层结构，需要将上、下两层地质分开设置，下层主要是基石，上层则是土壤，且要注意断层切断场地的岩土层情况出现，管道是跨越断层进行铺设的。在一般的ADINA建模的过程中，需要注意材料能够随着温度的变化而变化，且需要注意温度的限定是有一定的标准的。

2.3 参数选择与求解控制

根据实际情况模拟现状，所有材料的性能参数见表1.

2.4 约束和荷载

根据断层的情况分析，断层两盘的运动中，一般一盘紧接着另一盘运动。根据实际情况进行模拟发现，断层下盘基岩的底部都是固定的。此时，需要考虑断层位移以及管道内力及重力荷载等问题。断层位移施加于结构模型之中，沿着断层倾向，同时，管道压力取2 MPa在管道内壁进行试验，将温度荷载在热力模型中施加，在管道内壁施加初始温度约为20℃。

表1 材料性能

2.5 网格划分以及热力耦合求解

在计算的过程中，为了保证过程顺利，需要注意热力模型与结构模型的单元划分、网格划分保持一致，具体的单元参数如表所示。

表2 单元组参数

2.6 运行时可能出现的问题及解决方式

2.6.1 计算中断

根据时间函数的设定，需要注意的是，运用ADINA进行程序设计时可能会导致某一步骤的中断，比如一般会提示“Out of balance，load too large，using automatic method might help”；在运算的过程中，有可能会造成模型应力集中点达到了极限应力，进而造成计算中断，这种情况下，可以在计算时把这一单元设定为四单元，且将这一单元退出计算，从而避免计算中断的情况。

2.6.2 计算不收敛

ADINA一般会提示“No convergence，interation limit teached，using automatic method might help”。当提示这一信息时，就需要注意子步、迭代次数的设置，因此，需要注意在analysis option中设置自动选择时间步长的选项，或增加迭代的次数，从而不断减小步长来解决这一问题。

3 结束语

管道使用数量越来越多，管道安全事故频发，对此，我们应采取一些措施来应对，特别是在影响直埋热力管道破裂的各种问题中，需要注意断层、管道内部流体温度对管道的影响，因此，笔者提出了2点基本建议：①在管道埋设时，需要注意躲避一些断层区域，这些区域易造成管道的变形、破裂。但如果无法避开，则需要注意在管道与断层交接处进行一定的处理，比如可以采取做预应力拱梁的方式，就能减少断层对管道的破坏。②需要注意避免因管道内部流体的温度变化而造成的管道破裂，即需要注意管道内部温度升高而产生的问题，我们可以采取一些弹性模量较大的材料，这些材料能够有效应对管道剪力等问题。这样可以很好地解决管道问题，并不断减弱热力耦合作用对管道的影响。

［1］洪学娣，商永鹏.浅析直埋热力管道泄漏的主要原因［J］.山西建筑，2009（01）.

［2］徐宝平，孙树林.供热管道直埋敷设技术的探讨［J］.煤气与热力，1999（02）.

［3］王进忠.直埋供热管网热胀内力计算［J］.煤气与热力，1990（04）.

〔编辑：张思楠〕

TU995.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.120

2095－6835（2017）18－0120－02