马翁地区供水管道受力变形影响因素研究

王少杰

摘要：供水管道作为城市基础设施的重要组成部分，必须能够承受外界环境的影响并保持正常运行。以马翁地区的供水管道为研究背景，通过有限元，对管道不同温度下各参数对受力变形的影响展开研究。研究结果表明：管道的最大位移随着温度的升高，先减小后增大，在温度为20℃时达到最小值，在温度不变的情况下，埋深与管道的最大位移呈负相关。

关键词：马翁地区；供水管道；受力变形；温度；应力

0   引言

供水管道作为城市基础设施的重要组成部分，必须能够承受外界环境的影响并保持正常运行。温度是影响管道性能和稳定性的主要因素之一[1-3]。温度变化会导致管道材料的膨胀和收缩，进而产生应力和变形[4]。管道的温度变化还与供水系统的稳定性和效率密切相关[5]。管道材料的热传导性能、热膨胀系数以及各部件的热膨胀补偿措施等因素，都会对管道的热力学性能产生影响。

马翁地区的气候条件在不同季节呈现明显的温度变化，高温环境下，供水管道容易发生膨胀变形，而低温环境则容易引起管道的收缩和冻裂[6]。本文以博茨瓦纳北部某项目为研究背景，通过有限元，对马翁地区供水管道受力变形受温度的影响展开研究，以为提高供水系统的安全性、稳定性和效率提供参考。

1   工程概况

该项目所在的马翁地区位于博茨瓦纳北部，临近奥卡万戈三角州，总体地表起伏较小，属热带草原气候，雨季降雨集中。地貌以起伏高原为主，间有河谷。地上地势较为平坦，无较大起伏。地表多碎石，不利于挖掘工作开展，地下水水位较深，雨季降雨量大。地下部分因项目部分管线经过市区，地下市政管线较为复杂，拆迁工作量较大。据地勘资料显示部分工程所在区域地下分布浅埋岩体，不利于挖掘工作开展。

该项目新建三个井场、一个小型增压泵站、一个水处理厂（包括1座水处理厂房、1个蒸发池、1个泵房、1个小型实验室）及多个蓄水池，新建供水管道长109.4km。

2   有限元模型建立

本文采用线弹性模型对管道材料的特性进行模拟，PE管厚度为3mm，内径为25mm，PE管道外壁包裹一层厚0.03m的保温材料。采用摩尔库伦模型对填土进行模拟，土体的内摩擦角为18.3°，粘聚力为32kPa，膨胀角为9.8°，泊松比为0.37。PE管和土体的比热分别为2300J/kg·K、1585J/kg·K，PE管和土体的传导率分别为0.056W/m·K、1.344W/m·K。

为避免边界效应的影响，本模型的尺寸设为6.9m×

1.2m×4m。模型的网格划分尺寸如下：土体全局0.035m，开洞处0.025m，管道0.013m×0.02m，模型底部为固定约束，四周约束其X、Z方向位移共生成2800个单元和2911个节点。初始的土体温度设定为20℃，管内壁为23℃。

3   受力变形影响因素分析

3.1   不同埋深对管道受力的影响

在不同地表温度下，不同埋深对供水管道的最大应力-应变和最大位移的影响如图1所示。

3.1.1   不同埋深对供水管道最大应力-应变影响

由图1a可知，随着温度的升高，管道的最大应力呈现递减的趋势。当温度超过10℃时，埋深对不同温度下的管道最大应力无影响。当埋深小于10m时，埋深越大管道的最大应力越大，两者呈正相关。

材料温度变化时会发生热膨胀或收缩，而不同材料的热膨胀系数不同。当温度升高时，管道材料会因热膨胀而产生应力。随着温度升高，材料的热膨胀系数逐渐下降，从而导致管道的最大应力呈现递减的趋势。埋深较大的管道受到地下温度的影响较小，地下温度相对较稳定，为此当温度超过一定阈值（10℃）时，管道埋深对管道最大应力的影响较小。

3.1.2   不同埋深对供水管道最大位移的影响

由图1b可知，管道的最大位移随着温度的升高，先减小后增大，在温度为20℃时达到最小值，在温度不变的情况下，埋深与管道的最大位移呈负相关。

3.2   管径对供水管道最大应变-位移和最大应力影响

不同管径对供水管道最大应变-位移和最大应力影响如图2所示。

3.2.1   管径对管道最大应力的影响

由图2a可知，当温度超过30℃时，随着温度的升高，管道的最大应力逐渐减小。当温度小于30℃时，管道的最大应力受温度的影响较小。在同一温度条件下，管径越小管道的最大应力越大。

温度升高会减小管道材料的刚度，使得管道在受到外部负荷时更容易发生弯曲和变形。较大的变形可以缓解管道内应力的集中，从而降低最大应力的大小。

然而在温度低于30℃时，管道材料的热膨胀所导致的应力释放较小，管道的刚度相对较高，不容易发生较大的弯曲和变形，因此温度对管道的最大应力影响较小。小直径的管道由于相对较小的横截面积，在受到相同的外部负荷作用时，其应力集中程度更高，因此最大应力也更大。

3.2.2   管径对管道应变-位移的影响

由图2b可知，随着温度的升高，管道的最大应变逐渐递增，管径与管道应变呈负相关，管径变化引起的管道应变的变化幅度较小。

管道材料具有一定的弹性，当受到应变时，会产生弹性变形，以适应外部应力。较小的管径由于截面面积小，材料受应变时的弹性变形限制相对较小。因此管径变化引起的管道应变的变化幅度较小，管径越大管道的最大位移越大。

在温度变化时，管道的位移与其截面積有关。较大的管径对应较大的截面面积，意味着管道中更多的材料承担热膨胀或冷缩引起的位移，因此较大的管径可能导致更大的管道位移。随着温度的变化，管道的最大位移先减小后增大，在温度为20℃时为最小值。

3.3   壁厚对管道受力的影响

在不同地表温度下，不同管道壁厚对供水管道的最大应力-应变和最大应力的影响如图3所示。

3.3.1   壁厚对管道应力-应变的影响

由图3a可知，管壁越厚，管道的最大应力越小，管道的最大应变也最小。管道壁厚增加会导致管道的截面积增加，从而分布到管道截面上的应力减小。根据材料的弹性原理，当外部负载作用于管道时，应力会通过管道的横截面进行传递。

通过增加管壁的厚度，可以扩散应力并降低应力的集中程度，从而降低管道的最大应力。较厚的管道壁能够提供更多的材料来承受变形，可以提高管道的刚度和抵抗变形的能力。此外，较厚的管道壁通常具有较小的截面变化，可使管道壁具备足够刚性，为此不容易发生形状变化。

3.3.2   壁厚对管道最大位移的影响

由图3b可知，壁厚越大，管道的最大位移越大。較厚的管壁能够提供更高的刚度和强度，具有更大的抗弯能力。当外部载荷应用于管道时，较厚道壁能够更好地抵抗弯曲和变形，因此管道在受载情况下的最大位移相对较大。

较薄的管道壁相对较柔软，其抗弯能力较弱。在承受外部载荷时，较薄的管道壁会更容易发生弯曲和变形，导致管道的最大位移较小。

4   结束语

本文以马翁地区的供水管道项目为研究背景，借助有限元模拟软件，分析不同温度环境下埋深、管径、壁厚等参数对供水管道受力变形的影响，具体结论如下：

随着温度的升高，管道的最大应力呈现递减的趋势。当温度超过10℃时，埋深对不同温度下的管道最大应力无影响，当埋深小于10m时，埋深越大，管道的最大应力越大，两者呈正相关。

当温度超过30℃时，随着温度的升高，管道的最大应力逐渐减小，当温度小于30℃时，管道的最大应力受温度的影响较小。

管壁越厚，管道的最大应力越小，管道的最大应变也最小。

参考文献

[1] 薛景宏，储阳华.温度作用下变径管道的应力应变分析[J].重庆理工大学学报（自然科学版）， 2017，31（8）：51-56.

[2] 黄勇.考虑热水力耦合作用的地埋管热力学特性研究[D].宁波：宁波大学，2017.

[3] 巴振宁，王智恺，梁建文.温度和不均匀沉降耦合作用下埋地管道力学性能[J].油气储运.2018， 37（10）：1097-1103.

[4] 何硕，陈艳华，朱庆杰.热力耦合作用下直埋热力管道破裂的有限元分析[J].河北理工大学学报（自然科学版）.2011，33（2）：150-154.

[5] 郑平，马贵阳，顾锦彤.带有伴热管的输油管道土壤温度场的数值计算[J].辽宁石油化工大学学报.2006（3）：46-49.

[6] 马贵阳，刘晓国，郑平.埋地管道周围土壤水热耦合温度场的数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报.2007（1）：40-43+46.