挖掘载荷作用下埋地RTP管道的有限元分析

程梦鹏 甘丽华 唐继蔚 刘 畅

1.中国石油天然气管道工程有限公司,河北 廊坊 065000;2.杭州欧佩亚海洋工程有限公司,浙江 杭州 310012



挖掘载荷作用下埋地RTP管道的有限元分析

程梦鹏1甘丽华1唐继蔚2刘 畅2

1.中国石油天然气管道工程有限公司,河北 廊坊 065000;2.杭州欧佩亚海洋工程有限公司,浙江 杭州 310012

为分析挖掘荷载作用在管道上所造成的后果，采用ABAQUS非线性有限元软件的耦合欧拉-拉格朗日法(CEL),对承受挖掘载荷作用的钢丝缠绕增强塑料复合管(RTP)进行有限元三维建模。土壤本构关系选用Mohr-Coulomb模型,分别从挖掘载荷未直接作用和直接作用在RTP管上进行分析,在挖掘载荷直接作用下RTP管各层材料发生屈服、断裂,管道结构发生变形、破裂,即RTP管强度失效。分析结果为采取相应的有效保护措施提供了依据。

挖掘载荷;埋地管道;热塑性增强管;耦合欧拉-拉格朗日法;有限元分析

0 前言

钢丝缠绕增强塑料复合管(RTP)是我国拥有自主知识产权的高新技术产品，它是以热塑性塑料高密度聚乙烯为基体,以高强度钢丝倾角错绕而成的网状骨架为增强体,钢丝与塑料之间采用高性能树脂粘结而成的钢塑复合结构。RTP管生产效率高,结构可设计性强,并具有承载能力强、耐腐蚀性好、耐磨性优良、性价比高、质量轻、安装运输便捷等优点。从21世纪初起,已在市政工程、民用建筑、医疗化工、农业和煤化工等行业中广泛应用。

随着人类社会的不断进步和发展,工业化程度不断提高,各种施工越来越频繁,如:修筑地下铁路、地下商场以及挖煤采矿等,如果防护措施不当,可能造成埋地输气管道的损坏[1]。埋地输气管道的施工条件比较恶劣,在役检测困难,再加上输送介质的特性,一旦发生泄漏或断裂,可能引起爆炸、燃烧、中毒等重大事故,使人民的生命和财产遭受重大的损失,使社会的生产和经济遭受严重破坏[2-3]。

挖掘荷载作用在管道上所造成的后果,一是直接导致管道破裂,引起介质泄漏;二是不同程度地损坏管道防腐层或给管线造成刮痕、压坑等缺陷，为管道腐蚀或应力集中开裂埋下隐患[4]。需要分析其产生的原因并采取相应的有效措施保证管道的安全可靠运行。

宰金珉等人[5]指出无论从静力学还是动力学的角度分析结构的受力状态,土体与结构的相互作用都是不可忽略的,只有把结构与基础和地基作为相互作用又相互制约的整体分析,才能得到比较符合实际的计算结果。土体和结构的非线性接触是土体-结构相互作用问题的难点之一,较为简化的处理是土体-结构共用节点,但是准确来讲,土体与结构间的关系应该是摩擦接触,而对动力问题来说就是动力接触[5]。本文利用ABAQUS有限元软件,采用耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL)结合非线性动力学基本理论,模拟挖掘机破坏埋地RTP管道过程。CEL方法结合传统拉格朗日法和耦合欧拉法的优点,已成为解决物体发生大变形情况下的一种比较通用的计算力学方法,而非线性动力学理论考虑了在挖掘载荷作用下土体和RTP管相互作用的动力问题[6]。

1 材料模型

1.1 土体的弹塑性模型

本文土体模型选用Mohr-Coulomb模型,其屈服面在子午面内是一条双曲线,在偏应力平面内则是六边形,见图1[7-8]。

图1 偏应力面上的Mohr-Coulomb模型屈服面

Mohr-Coulomb模型屈服准则假定当土体中任何点的剪应力达到某个值时破坏发生,考虑正应力的最大主剪应力屈服理论,在-σ坐标系中,屈服或破坏线见图2。

Mohr-Coulomb的破坏准则为:

(1)

在压缩情况下σ为负值,从Mohr圆中可知:

(2)

经变换可得到:

s+σmsinφ-c cosφ=0

(3)

土体参数见表1。

图2 Mohr-Coulomb破坏模型

1.2 RTP管材料模型

RTP管的主要材料是高密度聚乙烯(HDPE)、钢丝和热熔胶[9-10]。通过在HDPE制成的芯管上以一定的倾角顺时针或逆时针缠绕高强度钢丝,采用挤出工艺将HDPE包覆于外层,高强度钢丝与内外层HDPE之间热熔粘接为一体[11-13]。管道材料模型选用各向同性弹塑性模型。HDPE材料和钢丝材料参数见表2～3。

表1 土体参数

参数值密度/(kg·m-3)1780弹性模量/MPa0.207泊松比0.3摩擦角/rad0.35初始凝聚力/MPa6.9E-5剪胀角/rad0

表2 HDPE材料参数

参数值密度/(kg·m-3)940弹性模量/MPa1002泊松比0.45极限抗拉强度/MPa26.5承载应力/MPa24

表3 钢丝材料参数

参数值密度/(kg·m-3)7800弹性模量/MPa2.1E5泊松比0.26极限抗拉强度/MPa2100

1.3 挖掘载荷参数

挖掘机抓斗主要是由钢材构成,挖掘机参数见表4。

表4 挖掘机参数

参数值密度/(kg·m-3)7800弹性模量/MPa2.1E5泊松比0.26挖掘半径/m1.5斗齿数目2

2 有限元计算模型

2.1 几何模型

挖掘荷载作用下埋地RTP管的动力响应过程可抽象为半无限体在冲击荷载下作用的问题[14],使用耦合欧拉-拉格朗日有限元分析模型进行仿真。挖掘机以一定的挖掘力和挖掘半径进行挖掘,地面到管顶距离0.8 m。土体是半无限空间体,计算时选取7.2 m×3.6 m×1.8 m的范围,几何模型见图3,RTP管几何参数见表5。

图3 几何模型

表5 RTP管几何参数 mm

2.2 模型单元类型

有限元模型见图4,其中挖掘机挖斗位于土体上方采用S 4 R单元模拟;管道在土体中间,其HDPE层和加强层基体由C 3 D 8 R单元模拟;钢丝嵌于RTP管加强层内,采用T 3 D 4单元模拟[15-17],见图5;土体使用EC 3 D 8 R欧拉单元模拟[18]。

图4 有限元模型

图5 RTP管有限元模型

2.3 载荷与边界条件

根据研究对象实际受力变形情况,利用耦合约束将RTP管端面6个自由度与中心点的运动约束在一起。在模型两端固定轴向位移。同时,RTP管内壁面施加 6.4 MPa 的均布压力。

土体模型边界条件见图6，分别固定其中3个面的法向运动。

图6 土体模型边界条件

在整个分析过程中都将挖斗设定为刚性体,并按图7定义刚性体约束点,在约束点上施加y方向向下速度0.01 m/s、绕z轴方向角速度1.57 rad/s并约束挖斗其他4个自由度的运动。

图7 挖斗边界条件

3 分析结果

3.1 挖斗与管道距离对管道响应影响

建立挖斗与管道的距离分别为0.8、0.6、0.4、0.2 m的4个模型,挖掘载荷均为250 kN。

以挖斗与管道距离为0.8 m为例,当挖掘机开始作业,挖斗撞击到RTP管上方土面,冲击能量传递到管道处,此时管道局部最大等效应力(Mises应力)瞬间达到21.03 MPa,见图8。但随着挖斗拨开土层并远离管道,能量逐步释放后,管道的最大等效应力很快下降到8.41 MPa,见图9。

图8 挖掘机挖斗初次撞击土面

图9 挖掘机挖斗远离RTP管

图10 内外层管道等效应力云图

图11 挖斗未直接作用在RTP管上钢丝应力图

在本次挖掘过程中,管道上层有土壤保护,且挖斗并没有直接撞击到管道,从图10内外层管道等效应力云图中可以看出管道受到上方挤压,HDPE材质的等效应力最大值在管道底部为21.03 MPa，没有超过HDPE材料的强度极限,从图11挖斗未直接作用在RTP管上钢丝应力图中也可以看出RTP管中的加强钢丝最大应力只有743 MPa，远没有达到钢丝的强度极限2 100 MPa。从管道整体性来看,管道没有明显变形,在挖掘机挖斗远离后,管道应力、变形都恢复正常，可见过程中RTP管并没有破坏。

图12为不同挖斗与管道距离同HDPE最大Mises应力关系曲线,图13为不同挖斗与管道距离同增强层钢丝最大Mises应力关系曲线。从图12～13可以看出，内外层HDPE和增强层钢丝始终没有失效,随着距离增大,HDPE和增强层钢丝的Mises应力峰值明显减小。相同挖掘载荷下,传播距离越长,能量消耗越多,挖掘的影响就越小。在挖掘载荷一定的情况下,挖斗与管道的距离越大,埋地输气管道破坏的可能性越小。

图12 挖斗与管道距离与HDPE最大Mises应力关系曲线

图13 挖斗与管道距离与增强层钢丝最大Mises应力关系曲线

3.2 不同挖掘载荷对管道响应影响

建立挖掘载荷分别为50、100、150、200、250 kN的5个模型。挖斗与管道的距离不变均为0.8 m。

当挖掘机继续作业,大部分土壤被挖开,挖斗撞击到RTP管上,以挖掘载荷250 kN为例,见图14。此时管道发生大变形破坏,HDPE最大等效应力达到24.28 MPa，超过HDPE的承载应力,RTP管的等效应力云图见图15。同时钢丝的应力也达到了1 918 MPa，接近其极限强度2 100 MPa,见图16。从计算结果可知，管道发生明显形变,管道的HDPE层和增强层钢丝都已经遭到破坏。

图17为挖掘机挖斗直接作用于RTP管上的冲击力随时间变化曲线,RTP管所受挖斗最大冲击力为223.7 kN,在挖掘载荷作用下RTP管的主要破坏形式以强度失效为主,管道发生大变形、破裂失效。

图18为不同挖掘载荷与HDPE最大Mises应力关系曲线,图19为不同挖掘载荷与增强层钢丝最大Mises应力关系曲线。从图19可以看出，当挖掘载荷超过150 kN,HDPE最大等效应力超过了其承载应力24 MPa,RTP管失效。随着挖掘载荷的增大,HDPE和增强层钢丝的Mises应力峰值也增大,但它们之间并不是线性关系。这是因为在挖掘荷载下,管道表面覆土深度太小,土体已经发生塑性变形,而土体和RTP管又是复杂的动态接触,本身就是个高度非线性的问题,故在分析土体与结构的相互作用时,不能将两者分开考虑,只有把结构与土体相互作用又相互制约作为整体分析,才能得到比较符合实际的计算结果。

图14 挖掘机挖斗撞击RTP管

图15 RTP管等效应力云图

图16 挖斗未直接作用在RTP管上钢丝应力图

图17 挖掘机挖斗直接作用于RTP管上的冲击力随时间变化曲线

图18 不同挖掘载荷与HDPE最大Mises应力关系曲线

图19 不同挖掘载荷与增强层钢丝最大Mises应力关系曲线

4 结论

挖掘载荷作用位置是等效应力最大处,也是RTP管最先达到破坏的位置。可以将Mises屈服准则作为挖掘载荷作用下埋地RTP管破坏的优先准则。

挖掘载荷作用下影响埋地输气RTP管的因素很多,本文仅从挖斗与管道距离和挖掘载荷大小两方面进行分析研究。分析结果表明:RTP管Mises应力峰值的大小与挖斗与管道距离有关,随着距离的增大,其峰值明显减小,为保证管道的安全,应禁止在管道附近施工,建议施工范围在0.5倍挖掘半径范围外;随着挖掘载荷的增大,RTP管Mises应力也增大,但由于土体发生塑性变形以及土体和管道间是复杂的动态接触问题,它们之间是非线性的关系。下一步可以对RTP管埋深及壁厚等因素进行研究。

[1] 钟 强,赵国仙.某海底输送管线腐蚀失效分析[J].天然气与石油,2016,34(1):89-93.

Zhong Qiang,Zhao Guoxian.Analysis on Corrosion Failure in Certain Submarine Pipeline[J].Natural Gas and Oil,2016,34(1):89-93.

[2] 景国泉.埋地管道的极限载荷计算与风险评价[D].南京:南京工业大学,2003:1-6.

Jing Guoquan.Limit Load Calculation and Risk Assessment of Buried Pipe[D].Nanjing:Nanjing Tech University,2003:1-6.

[3] 黄崇伟.沟埋式输油管道管土相互作用分析[J].公路工程,2011,36(2):164-168.

Huang Chongwei.Theories on Mechanics and Pipe-Soil Interaction Model of Channel-Buried Pile[J].Highway Engineering,2011,36(2):164-168.

[4] 吕宏庆,李均峰.管道第三方破坏的原因及预防措施[J].天然气工业,2005,25(12):118-120.

LüHongqing,Li Junfeng.Cause and Prevention of Pipeline Third-Party Interference[J].Natural Gas Industry,2005,25(12):118-120.

[5] 宰金珉,庄海洋.对土—结构动力相互作用研究若干问题的思考[J].徐州工程学院学报,2005,20(1):1-6.

Zai Jinmin,Zhuang Haiyang.Analysis on the Several Problems about the Dynamic Soil-Structure Interaction[J].Xuzhou Institute of Technology,2005,20(1):1-6.

[6] 杨秀娟,闫 涛,修宗祥,等.海底管道受坠物撞击时的弹塑性有限元分析[J].工程力学,2011,28(6):189-194.

Yang Xiujuan,Yan Tao,Xiu Zongxiang,et al.Elastic-Plastic Finite Element Analysis of Submarine Pipeline Impacted by Dropped Objects[J].Engineering Mechanics,2011,28(6):189-194.

[7] 贺 嘉,陈国兴.基于ABAQUS软件的大直径桩承载力-变形分析[J].地下空间与工程学报,2007,3(2):306-310.

He Jia,Chen Guoxing.Analysis of Bearing Capacity-Deformation of the Large Diameter Pile by the ABAQUS Software[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2007,3(2):306-310.

[8] 王金昌,陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用[M].杭州:浙江大学出版社,2006:16-20.

Wang Jinchang,Chen Yekai.Application of ABAQUS in Civil Engineering[M].Hangzhou:Zhejiang University Press,2006:16-20.

[9] 白 勇,熊海超,陈 伟,等.钢丝缠绕增强复合管的内压研究[J].低温建筑技术,2015,37(5):44-46.

Bai Yong,Xiong Haichao,Chen Wei,et al.Study on the Internal Pressure of Composite Pipe Reinforced by Winding Steel Wire[J].Low Temperature Architecture Technology,2015,37(5):44-46.

[10] Xia M,Takayanagi H,Kemmochi K.Analysis of Multi-Layered Filament-Wound Composite Pipes Under Internal Pressure[J].Composite Structures,2001,53(4):483-491.

[11] Wang Wei,Chen Geng.Analytical and Numerical Modeling for Flexible Pipes[J].China Ocean Engineering,2011,25(4):737-746.

[12] Xia M,Takayanagi H,Kemmochi K.Analysis of Transverse Loading for Laminated Cylindrical Pipes[J].Composite Structures,2001,53(3):279-285.

[13] Bai Yong,Wang Yu,Cheng Peng.Analysis of Reinforced Thermoplastic Pipe(Rtp) Under Axial Loads[C]//American Society of Civil Engineers.Proceedings of International Conference on Pipelines and Trenchless Technology.New York:American Society of Civil Engineers,2012.

[14] 李又绿,姚安林,赵师平,等.爆炸载荷对埋地输气管道的动力响应和极限载荷分析[J].焊管,2009,32(11):63-69.

Li Youlü,Yao Anlin,Zhao Shiping,et al.Analysis on Dynamic Response and Extreme Loads of Buried Gas Pipeline Under Blast Loading[J].Welded Pipe and Tube,2009,32(11):63-69.

[15] Kruijer M P,Warnet L L,Akkerman R.Analysis of the Mechanical Properties of a Reinforced Thermoplastic Pipe(Rtp)[J].Composites:Part A Applied Science & Manufacturing,2005,36(2):291-300.

[16] Arikan H.Failure Analysis of(±55°) 3 Filament Wound Composite Pipes with an Inclined Surface Crack Under Static Internal Pressure[J].Composite Structures,2010,92(1):182-187.

[17] Xia M,Takayanagi H,Kemmochi K.Analysis of Multi-Layered Filament-Wound Composite Pipes Under Internal Pressure[J].Composite Structures,2001,53(4):483-491.

[18] 范 峰,丰晓红.跨断层埋地输气管道有限元模型建立与分析[J].天然气与石油,2015,33(1):11-15.

Fan Feng,Feng Xiaohong.Establishment and Analysis of Finite Element Model of Buried Gas Pipeline Crossing Fault[J].Natural Gas and Oil,2015,33(1):11-15.

2016-04-18

中国石油天然气集团公司重点工程资助项目(Z-2013-KTFB-7)

程梦鹏(1966-)，男，山东安丘人，高级工程师，硕士，从事管道应用技术研究与标准制定工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.005