基于缩比模型的悬索跨越管桥结构安全性分析研究

2021-01-20王永振霍思彤曾维国林楠巨萌

油气田地面工程 2021年1期

王永振霍思彤曾维国林楠巨萌

1长庆油田分公司第一输油处

2中国特种设备检测研究院

管道在经过山川河流等障碍时往往采用穿越或跨越的方案，我国跨越河流的输油管道在长距离输油管道工程中占有一定的比例，并且管道跨越结构是长输管道的薄弱环节，提高其可靠性意义重大。应用大型有限元分析软件ANSYS 对悬索管桥简化模型进行模态综合分析将成为主流，诸多文献应用ANSYS 针对悬索管桥结构的多种特性开展分析研究，为实际工程设计提供了指导。例如，在悬索式管桥体系中应用ANSYS 有限元结构分析方法，分析管桥主要构件的受力情况和安装尺寸[1-2]。基于某大跨度悬索管桥设计方案，应用ANSYS 分析软件中三维有限元模型，对静力、模态和风振反应、清管反应等进行有限元分析[3-4]。通过分析可获得颤振临界风速、耦合作用下索单元刚度矩阵及极端环境下的清管过程，为管道安全运行提供理论依据[5-7]。但是，仅依靠理论计算无法得到可靠结论，需要通过缩比模型开展特定课目研究。

随着试验能力提高，开始开展了一些针对实际管桥的缩比力学试验，以对不同条件下管桥实际的应力状态变化情况进行研究[8-10]。基于全桥缩比模型的风洞试验，给出了管桥主梁、大缆、拉索、桥塔和桥墩各构件模型的设计和制作方法，且总结了管桥气弹模型的相似关系，得到了管桥的风致响应特征。基于管道悬索跨越缩比结构的研究，可为规范修订和实际工程设计提供更贴近实际的理论依据。本文针对清峪河在役悬索跨越管桥进行了缩比试验，深入开展了管桥力学性能及钢索力学分析研究，旨在研究在役悬索跨越管桥结构的安全性，为工程中在役悬索跨越管桥的安全评价提供理论基础。

1 悬索跨越缩比试验

为研究不同情况下悬索跨越管桥的变形情况，建立悬索跨越试验平台模型，进行不同情况下管道形变模拟试验。试验中，分别模拟集中载荷和不同吊索破坏作用下，悬索跨越管桥形变情况，采集各试验条件下跨越管桥应变情况。参考现有缩比模型研究方法，针对研究管道实际情况，进行模态分析以确定相应试验条件[11-13]。

1.1 试验平台设计

以清峪河悬索跨越为例，根据几何相似原理，对悬索跨越开展缩比简化设计，具体相似性设计参数如表1～表3所示。

拟设计悬索跨越试验平台跨度33 m、管道内径40 mm、塔架高2.5 m、主索直径8 mm、吊索直径2 mm，采用与实际悬索跨越相同的连接方式。清峪河悬索跨越中吊索67组，间距4 m。根据实际试验需求，具体设计吊索间距为0.5 m。

表3 试验台钢索计算尺寸Tab.3 Calculation size of the wire ropes in the test bed

试验平台连接示意图如图1、图2 所示，其中悬索钢管段为试验测试管段，应变传感器布置在该处进行数据采集。

图1 试验环道示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental loop

试验液体水装在储液罐中，经离心泵流入环道入口；水先后流经节流阀1、压力计、体积流量计、观察段（透明管）、节流阀2 和回流水管，再到达试验环道的储液罐，实现水的循环。

试验连接的实物图如图3 所示。试验过程中，水由泵增压后进入试验环道，选取泵的扬程为20 m，额定流量为20 m3/h。试验中可通过改变节流阀的阀位来调节流量，钢管段由法兰连接，回水段为输水软管。根据试验研究内容，进行不同情况下悬索跨越的应变分析。

图2 悬索管桥试验台示意图Fig.2 Schematic diagram of the suspension pipe bridge test bed

图3 悬索跨越试验装置Fig.3 Test device of the suspension pipe bridge

1.2 数据采集

试验测量参数主要包括：通过钢管段水的体积流量和压力、管道的变形、钢丝索的拉力以及所施加的载荷。水的体积流量由LWGY型涡轮流量计计量，测量范围2～20 m3/h，精度1级。测得流量后除以管道截面积可以得出水的流速，水的压力由压力计测出。

管道的变形由应变仪测出，拟在悬索钢管段每隔2 m 贴一组应变片（每组2 片，分别布置在管道上方的轴向和横向），测出整个管段的变形，测量误差在2.5%以内。选用电阻应变片，应变片布片方案主要考虑测点的应力状态、构件的受载情况和温度补偿原则。由于悬索跨越管桥主要承受拉、压载荷，很少受到扭转载荷的作用，所以选择在管道上方以轴向和横向粘贴的布片方式（图4）。由于悬索跨越对称性，由管道的中点开始向流动方向每隔2 m选取一组测点，共9组，18个测点。以管道中间点位为0 m，沿着流动方向为正，反方向为负，测点如图5所示。

图4 管道应变采集布置Fig.4 Arrangement of strain collection on the pipeline

应变片粘贴时要去除测试点的防腐层，对该处打磨清理，用工具或化学试剂清除贴片处的漆层、锈层等污垢，然后用砂轮打平，再用零号砂纸在试件表面打光，要求表面平整、无锈、无浮浆等。清理好的表面不要立刻贴片，先涂一层凡士林暂作保护，待贴片时去除。试验过程中，集中载荷通过电子称测量计算。

1.3 结果分析

本试验分为10 种工况进行试验，具体载荷工况如表4所示。

试验时，管道内流体稳定后，流量为16.34 m3/h，压力为0.06 MPa。

图5 测点分布Fig.5 Distribution of the testing points

表4 模拟试验载荷工况Tab.4 Load case of simulation test

将不同工况下传感器采集的应变数据进行整理，得到悬索跨越在空载和正常工作工况下的应力对比图（图6）。可以发现管道在空载时，应力几乎为0，主要是因为管道只受重力和吊索力作用，处于平衡状态。在输油正常工作工况下，内部介质重力等使管道产生变形，应力增大。由于悬索跨越建造阶段，吊索保持竖直，但其张紧程度主要靠人工经验，吊索受力程度有所不同，管道无法受力均匀，所以测量时管道应力有正负，即存在压应变和拉应变，此为试验误差所致。

图6 空载和正常工作工况下应力对比Fig.6 Comparison of strains under no-load and normal operation conditions

图7为悬索跨越在正常工作工况与不同集中载荷工况下的应力对比图。集中载荷的存在引起了管道形态的改变，产生了较大的应力。从图7 可看出，管道最大应力发生在管道起点和终点处，当集中载荷在中间处，最大应力在管道内整体较小。当集中载荷作用在管桥两侧1/4 处时，管道最大局部应力较大。

图7 正常工作工况与集中载荷工况下应力对比Fig.7 Comparison of strains under concentrated load and normal operation conditions

图8为悬索跨越正常工作工况和吊索破坏工况试验应力对比图，其应力变化较小，主要原因为吊索较多，吊索张紧较松，受力较小，因而破坏后对管道工作影响不大。

2 悬索跨越钢丝绳力学性能分析

以靖咸管道某一悬索跨越为例，进行了悬索跨越钢丝绳力学性能分析。

图8 正常工作工况和吊索破坏工况下应力对比Fig.8 Comparison of strains under normal operation and sling damage conditions

2.1 钢丝绳概况

现场截取了3 条钢丝绳，主索分别为1#、2#，吊索为3#，1#、2#钢丝绳为6×37结构，3#钢丝绳为6×19结构，均为纤维芯（图9），对钢丝绳的直径进行3次测量，结果见表5。

图9 钢丝绳编号Fig.9 Numbers of the wire ropes

表5 钢丝绳直径测量结果Tab.5 Measurement results of the wire rope diameter

2.2 钢丝绳拉断试验

参照标准GB/T 8358—2014《钢丝绳实际破断拉力测定方法》及GB/T 20118—2006《一般用途钢丝绳》，钢丝绳的拉伸试验可在任何拉伸机上进行，拉力达到最小破断拉力的80%时，速度放慢，直到拉断。1#钢丝绳拉断力为698.4 kN，2#钢丝绳拉断力为688.4 kN，3#钢丝绳拉断力为46.3 kN。

根据标准GB/T 20118—2006，钢丝绳的最小破断力计算方法见式（1）。钢丝绳测试所得到的破断拉力大于最小破断拉力，则该钢丝绳为合格，反之不合格。

式中：F0为钢丝绳最小破断拉力，kN；K′为某一类别钢丝绳的最小破断拉力系数；D为钢丝绳公称直径，mm；R0为钢丝绳公称抗拉强度，MPa。

由表5测得的直径数据，假设钢丝绳的公称直径1#、2#为35 mm，3#为10 mm，根据钢丝绳的断面结构，查得1#、2#、3#钢丝绳的K′值均为0.330。

2.3 试验结果分析

结合上述试验数据，如果钢丝绳牌号信息有缺失，在根据实测直径假设公称直径的基础上，可计算钢丝绳的最小破断力。经查阅设计资料，关于靖咸输油线路王窑加热站—杨山输油站所使用的钢丝绳有如下要求：6×37钢丝绳应力强度1.55 kN/mm2，6×19 钢丝绳应力强度1.40 kN/mm2，即1#、2#钢丝绳强度为1 550 MPa，1#、2#钢丝绳的最小破断力经计算为626.59 kN，破断拉力均满足标准要求。3#钢丝绳强度为1 400 MPa，3#钢丝绳的最小破断力经计算为46.2 kN，破断拉力满足标准要求。