柔性冻结管接头压缩性能的数值模拟研究

邵红才, 王　兵, 陈　丰

(扬州职业大学, 江苏 扬州　225009)



柔性冻结管接头压缩性能的数值模拟研究

邵红才, 王兵, 陈丰

(扬州职业大学, 江苏 扬州225009)

摘要：在深厚表土冻结法凿井工程中常发生的冻结管断裂事故，对工程安全造成了严重威胁。为解决冻结管断裂问题,本文采用数值计算方法对“Ω”形冻结管接头的压缩力学特性进行研究。由计算结果看出,在轴向压力作用下,接头断裂前其轴向压缩量可达20mm以上，径向位移量可达10mm以上。因此，该种接头在轴向和横向上均具有良好的柔性,可适应冻结壁温度变形、冻胀变形和开挖变形,防止冻结管断裂。

关键词：柔性接头；冻结管；压缩性能；数值模拟

中图分类号:TD 265.34

文献标识码:A

文章编号:1008-3693(2015)04-0028-04

冻结法施工是一种在复杂地层中施工的特殊方法,施工时低温盐水通过冻结管将含水地层冻结起来,形成帷幕,以利于施工。冻结管在地层中长达几百米,由低温盐水引起的温度应力、开挖后围岩水土的压力、冻土壁流变导致的弯曲应力以及不同土层产生的径向压力差对管子的剪力等,均使冻结管在复杂的工况下工作,施工中易发生冻结管断裂事故,影响施工的安全和进度。

根据现场断管的资料[1-3],冻结管在发生断管现象时本身并未发生断裂,而是在管接头位置发生了断裂。解决的方法主要是改进冻结管的接头。关于冻结管的接头形式,国内外主要有外箍螺纹接头、外箍焊接接头和内衬管对焊接头。但随着冻结深度的增加,冻结管所受到的竖向温度应力和横向位移明显增加,目前常用的接头也经常发生断裂事故,主要是因为这种接头没有足够大的柔性。所以，根据断管的特点,应采用柔性冻结管接头。本文对“Ω”形接头的压缩力学特性采用ANSYS软件进行数值模拟研究。

图1　“Ω”形柔性冻结管接头结构

1数值计算规划

“Ω”形柔性接头[4-6]结构见图1,根据冻结管实际尺寸、其他影响因素及相似准则,得出各参数的取值范围,见表1。

表1　参数取值表

为了方便考察“Ω”形柔性接头装置的受力与变形情况,需要取定一组参数。为论述方便,将其称为典型参数,见表2。

表2　冻结管及接头典型参数

模型中还包括冻结管、管接头和焊缝材料。冻结管和管接头材料的弹性模量为2.1×105MPa,泊松比为0.2,屈服强度为337MPa。冻结管和接头之间焊缝的弹性模量为2.1×105MPa,泊松比为0.25,屈服强度为410MPa。

1.1　数值计算模型

本模型由接头与钢管组成,材料均为钢材,可将其视为均质材料,结构无缺陷,不考虑结构自重;整个结构可按空间轴对称问题考虑。由于结构材料为钢材,因此，材料本构关系可采用理想弹塑性模型,服从Von Mises屈服准则;接头受压计算图和简化图见图2;模型外载为上端受到的压力，下端边界定义为对称边界;考虑到压缩过程中会产生失稳,冻结管长度取200mm来研究,对称模型为100mm。其他管接头尺寸参数均按典型参数取值。

图2　受压计算简图

1.2　有限元模型

钢管和接头采用PLANE82单元划分网格,焊缝采用PLANE2单元划分网格,按空间轴对称建模。有限元网格采用自由划分,见图3。

本次数值模拟主要得到各温度条件下的含此接头冻结管的压缩极限承载力。给定荷载一个初值,设置一个荷载子步长,进行加载计算,直至接头破坏为止,得到压应力的极限值和接头的变形特性。图4是冻结管各特征点的位置及编号。

图3　有限元模型　　图4　冻结管接头上特征点编号

2数值计算结果分析

对于具有典型参数的冻结管及接头,在压力作用下的破坏形式见图5。

图5　冻结管在受压下的破坏示意图

由图5可以看出,接头破坏时,接头上翼已经与接头对称面EF接近在同一水平位置,当温度不足以使钢材发生脆性破坏时,假定当上翼与下翼碰在一起时,接头就破坏了。

由等效应力曲线(图6)可以看出对称面EF上的F点首先达到屈服,紧接着C、E和G点相继达到屈服,可以看出对称断面EF首先进入全断面屈服状态,然后由此端面向接头两端部分依次进入塑性阶段。当荷载达到最大值时,除了I点其余各点均进入了塑性阶段,而I点在接头直管段,可以说明当接头弯曲部分全部进入塑性阶段之后,荷载就到达了最大值。随荷载的减小,直管段也依次进入塑性阶段。

图6　各点等效应力随荷载的变化曲线

对应图7位移曲线,位移在荷载达到最大值之前是很小的,钢在弹性阶段的压缩量是很小的,而且满足胡克定律。当荷载达到最大值之后,随之是荷载卸载的过程,由于接头部分已经进入塑性阶段,此时塑性变形迅速增加,相应的压缩量和位移量也迅速增大。由于常温时钢材不会发生脆性破坏,所以，本模拟可认为当接头两翼碰在一起时接头就破坏了。

由图7、图8的曲线可以看出,冻结管在轴向压力作用下,荷载变化是先增大后减小,当减小到接头两翼碰在一起时,冻结管接头破坏。在压力达到最大值时,冻结管接头大部分都处在弹性变形,故应力应变曲线基本都是线性的;但达到最大值之后,也就是卸载过程中,由于接头对称断面全部进入塑性阶段,所以产生了大变形,当变形达到一定量接头两翼碰在一起时,认为断面EF破坏。由图8可以看出,这3个测点对比,环向应变和竖向应变的最大值均出现在E点,分别在0.12个应变和0.3个应变左右。说明E点是最容易破坏的点。当两翼接触时,可以认为含有E点的断面EF破坏。

图7　各点位移随荷载的变化曲线

图8　荷载-应变曲线

图9是不同压应力下的EF全断面上各点竖向应力曲线。同拉伸一样,面EF上进入塑性阶段的标准与此时该断面上竖向应力分布的线性还是非线性是相关的。由压缩分析可知,接头外侧E点始终是往外凸,该点在全过程中竖向一直是受到拉应力作用,而F点一直是受到挤压,故竖向应力始终是压应力。在压缩过程中,E刚开始和最后破坏之前的弯矩方向都是一致的,因为E点始终处在力的同一侧。

图9　EF对称面上各点的竖向应力

3结论

通过对“Ω”形接头在压力作用下的数值计算,获得了其变形特性和破坏特征。结果表明,在轴向压力作用下,接头的轴向压缩量可达20mm以上、径向外移量可达10mm以上,最后接头直至弧形段被压扁,且上下两翼已经接触在一起,然后在弧顶断面处断裂。可见,本文所研究的“Ω”形接头在轴向和径向上均具有良好的柔性,其可适应复杂的冻结壁温度变形、冻胀变形和开挖变形的作用而不被破坏,可防止冻结管断裂，是一种较为理想的冻结管接头。

参考文献：

[1]吴学儒.对深井冻结管的看法[J].煤炭科学技术,1985(4):5-6.

[2]陈文豹.深井冻结管断裂问题[J].煤炭科学技术,1984(8):14-17.

[3]杨家星.深井冻结施工经验—冻结管断裂及其防治[J].建井技术,1989(4)：51-52.

[4]王正廷,楼根达,周晓敏,等.冻结管断裂问题回顾与解决途径[C]//矿井建设技术论文集.徐州：中国矿业大学出版社,1996.

[5]徐开先.波纹管类组件的制造及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.

[6]樊大钧.波纹管设计学[M].北京：北京理工大学出版社,1988.

[7]防冻结管断裂科研组.冻结管物理力学性能测试[J].淮南矿业学院学报,1986(2):27-47.

(责任编辑：江涌吴萍)

Numerical Simulation Research into the Compression Performance of Flexible Freezing Pipe Joints

SHAO Hong-cai, WANG Bing, CHEN Feng

(Yangzhou Polytechnic College, Yangzhou 225009, China)

Abstract:In recent years, accidents of freezing pipe breaks in the freezing shaft sinking engineering of deep surface soil has posed a serious threat to the engineering safety. In order to solve the frozen pipe breaks, this article researches into the compressive dynamic properties of the Ω shaped freezing pipe joints using numerical calculation method. The result shows that this flexible freezing pipe joint is up to 20mm in axial compression and up to 10mm in radial displacement under axial pressure. Also this kind of joint has good flexibility in both axial and lateral direction, which can adapt to the temperature deformation, the frost deformation and the excavation deformation of the frozen wall, and prevent freezing pipes breaks.

Key words:flexible joint; freezing pipe; compressive property; numerical simulation

作者简介：邵红才(1981—)，男，扬州职业大学土木工程学院讲师，硕士。

收稿日期：2015-09-02