长距离管线自重下沉式下置施工过程应力分析

陈 晔

(山西省机电设计研究院有限公司,山西 太原 030009)

0 引言

传统的原水管道施工工艺一般为：测量放线→沟槽开挖→垫层施工→管材、管件、闸阀验收及管道敷设→管道焊接及闸阀安装→管道打压试验→沟槽回填。在进行下管操作前必须先处理好垫层，下管方式一般采用汽车吊装与人工吊装相结合的方式，自下游向上游下管，下管工艺复杂且对精度要求严格[1]。同时，在沟底进行管道焊接时，难度也相对较大，而管道焊接质量的好坏直接决定了原水管道整体质量的高低。尤其在沙漠工程施工中，大管径管道施工有几处难点：①钢管自重较大，在沙漠中运输有一定困难；②管道挖深较深，在限定施工作业带内开挖和下沟都有一定的困难；③沉管法下沟，容易损伤管道的防腐层。针对这种情况，提出了采用自重下置方法进行管沟开挖和下置作业。下置过程中焊接完成的管道要在自重力的作用下自由下置，焊缝及管道本身受到较大变形[2]，期间所受应力情况对焊缝的影响尚没有科学定论。为此，本文对敷设过程中管道形变以及焊缝应变进行了研究，以判断该施工方式产生的应力应变是否超过管道焊缝的许用应力，进而验证该施工方式的可行性及安全性。

1 管线下置受力分析

采用自重下置方法进行管沟开挖和下置作业的具体做法是将管道直接铺设在预先测量好的放置点上方，然后在管道两侧各布置1台挖掘机将管道下方的沙土挖出。工作时，要求两台挖掘机呈“八”字形布置、同一方向、同时作业，开挖速度保持一致，利用钢管的自重及弹性缓慢地自然沉入沟底，从而使管道平稳铺设至预置深度，最后完成填埋工作。

本项目中，施工管道由外径为1 240 mm、内径为1 200 mm、长度为10 m～12 m的管道焊接而成，按照施工方要求，管道下置距离为3 m，即管道将从沙漠表面铺设到至表面3 m的地下。为避免施工过程中挖掘机对管道的碰伤等施工损伤发生，管道开挖放坡按照沙土类进行，其下置示意图及管道下置完成后截面图如图1所示。

图1 管线下置及下置完成后的状态

由于整条管线是由多条管道焊接而成，为配合完成焊接工作，管道被放置在间隔约为10 m～12 m的小土堆上。管道在未开始下置时，在土堆上处于平衡状态。开始下置过程中，当一个支撑点刚被挖掘机挖掉时，管道处于图2所示的状态，这时管道受到的力有：管道的重力(视为均布载荷)；A、B支撑点的支撑力Fa、Fb；DE段地面对管道的支撑力；下置完成后地面的支撑力Fc。由于地面土质为沙土，在挖掘机工作过程中，沙土容易向已挖空段流动，因此在DE段管道所受的支撑力从D点到E点逐渐变小，随着挖掘机的继续工作，DE段支撑力直到为0，此时管道的开始下置点受力情况最为严峻，如图3所示。

图2 管线下置过程受力示意图

本文按照图3所示情况对管道进行受力分析。由于管道在A段的左侧还有相当长的距离处于完全平衡状态，因此在进行受力分析时，将A段视为固定端。在固定端有支撑力Fa和弯矩Ma，在支撑点B有支撑力Fb、转角θb，在下置点处有支撑力Fc和弯矩Mc，如图4所示。

图3 管线最大受力情况示意图

图4 最大受力状态下管线受力分布情况

根据结构力学相关知识[3]，平衡状态下管道受力矩阵表达式为：

(1)

取边界条件，当管道刚接触到下置点C时，支撑力Fc为0。管道下置距离h为3 000 mm，取向下为正，则Fa和Fb均为负值，则取a为正数时式(1)经过一系列计算简化为：

(2)

(3)

(4)

由MATLAB计算得到一组合理解为：l=67.567 64 m，a=11.238 54 m。取BC为研究对象，计算B点处的内应力情况。

由材料力学[4，5]知识得，弯曲杆件的正应力计算公式为：

(5)

则B点的应力表达式为：

(6)

将管道已知参数代入式(6)可求得：σB=277.75 MPa。

管道材质为Q345，取安全系数为1.2，则许用应力为287.5 MPa，管道在下置过程中内应力最大值为277.75 MPa，说明管道在施工过程中处于安全状态。若B点为焊缝所在的位置，则需要满足焊缝的最大承受力，根据所选焊材JC-29Ni产品目录手册说明书，JC-29Ni断裂前承受强度Rm为490 MPa～620 MPa，远大于管道下置过程中的内应力最大值，说明焊缝在该施工方式下处于安全状态。

2 仿真分析

利用ANSYS分析软件对管道不同情况下的受力状态进行仿真分析[6,7]。根据管道材质，选取弹性模量E=206 GPa，泊松比为0.28，密度为7 850 kg/m3。

建立管道的仿真模型，管长为80 m，其中68 m处于下置状态，12 m处于点支承状态，对整个管道施加重力约束，模拟管道下置的工况。该模型得到的参数值能够近似反映管道下置过程受力严峻情况下的最大应力值。

计算时，对未下置段管道和地面部分建立接触对，实现地面对未下置段的支承情况。提取管线变形云图和管线应力云图，如图5、图6所示。

由图5可知：管道在下置方向的最大位移发生在管道末端，最大值为3 000.01 mm，接近于管道实际下置高度(3 m)。由图6可知：管道的最大应力发生在管线下置开始时刻，最大应力值为276.308 MPa，最小值发生在管道下置触地端，应力值约为0.114 393 MPa。仿真所得结果与理论计算值接近，均小于管道的许用应力[8，9]，也远低于焊材的最大承载能力。

图5 管线位移云图

图6 管线应力云图

3 实际工况应力测试分析

随机选取施工中管线节间焊缝作为测量截面，检测该焊缝从处于平稳状态到开始下置，直至下置完成再次处于平稳状态全过程中的应变数值。在测量焊缝截面处沿圆周均布4个应变片，如图7所示。

图7 管道测点分布图

对管道下置过程进行实时数据采集及存储，以分析下置过程的强度变化。设置采样频率为单通道100 Hz，完整记录测试焊缝的整个下置过程。图8为4个测点在管道下置过程中的应变情况。由图8可知：①1、2通道的数据在趋势上基本对称，当1通道受到拉应力时，2通道受到压应力，受力情况基本对称，但数值大小略有差异；②整个下置过程中，测试位置最大拉应变值为1通道的0.001 224 58，最大压应变值为1通道的0.000 816 992。

图8 4个通道的应变值变化情况

根据应力应变计算公式σ=Eε，取下置过程最大微应变值0.001 224 58，计算对应的应力值为：

σ=0.001 244 58×206×109=252.2 MPa.

252.2 MPa小于管道及焊缝的许用应力值，说明该施工方案就焊缝应力状态而言具有可行性及安全性。

4 结论

本文针对沙漠输水管线下置施工的新工艺，分析计算了管线靠自重下沉式下置过程中的应力情况。理论计算了受力严峻情况下焊缝的最大应力值为277.75 MPa，仿真分析了管线下置过程中的受力情况，提取最大应力值为276.3 MPa。同时，在管线实际施工过程中，通过贴应变片的方式，采集了焊缝在整个下置过程中的应变情况，计算得到最大应力值为252.2 MPa。三种方式得到的最大应力值均小于管线及焊缝的许用应力值，说明该施工方式产生的形变不影响管线及焊缝的安全性，佐证了该种施工方式的可行性。