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1、3 0 石 油工 程 建 设 不利补偿条件下长距离穿越管道的 应力分析及安装设计 毕光辉，李兵兵，韩桂武，陈文备 ( 中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊0 6 5 0 0 0 ) 摘 要 ：西 气 东输二 线管道 九 江长 江盾 构 穿越 ，由于始 发 井、接收 井 井深不 同 ，导致 管道荷 载 效应 向一端集中 采用 A N S Y S和 C A E S A R I I 有限元软件对管道进行应力分析表 明传统的在 两岸竖井 外设 置锚 固法兰和锚 固墩 的方案 不 能满足规 范要 求 为此提 出了 3个 解决方案 ：北 岸接收 井地 面抬 高、隧道 内固定支座 、井外管道应力补偿。计
2、算表明，3个方案都能满足规范要求，其中井外管道 应力补偿方案最优 实施第三个方案后 历经两年多的管道运行监控量测数据表明本_T - 程的管道 补偿 设计 是安 全可 靠的 关 键词 ：盾构 隧道 ；管道 穿越 ：应 力补偿 ；AN S Y S软件 ；C A E S AR I I 软件 d o i ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 1 - 2 2 0 6 2 0 1 3 0 6 0 0 7 0 引 言 盾构穿越的两岸竖井内管道不仅要起到输送油 气 的作用 还要起到隧道内管段补偿器的作用 当 管 径较 大时 竖井 内径 和井深 既要 满足管 道 安装敷 设 的空 间要 求
3、 还 应 使 管 道 满 足 强 度 和 变 形 的要 求 。 西气东输二线管道九江长江穿越采用盾构穿越 方 案 盾 构 穿越 水 平长 度 2 5 8 8 I T I 根 据 两岸 地 形 和地质条件 盾构始发井 内径为 1 2 5 m井深为 4 0I l l ：接 收井 内径为 1 2 5 m，由于地层 以中细砂 为 主 地 下 水位 高 ，考 虑 沉 井 的施 T 因素 选 取 井 深为 1 2 i n ：盾 构内径为 3 0 8 m 穿越处管道管径 为 1 2 1 9 mi l l 、壁厚 为 2 2 m m，设 计压力 为 1 0 MP a 按 照传统 的管 道安装 设计方 法对 本
4、工 程进 行设 计 。发 现主要 有 3个 问题 难 以解决 ： ( 1 )穿 越 处 管 道 的 运 行 温 度 最 高 可 达 5 5 而 常 温 下 该 处 管 道 安 装 合 拢 温 度 按 2 0 2 5 计 算 运行 时的温差约为 3 0这 比一般穿越工程 天然气管道运行的温差要大 对温度的补偿要求较 高若处理不当将给管道运行增加很大的二次应 力 从 而 给管道 的安全 运行 带来 隐患 ( 2 )标准单管长度为 1 2 m原设计方案 中直 径 1 ：2 1 9 mm 的 9 0 热 煨 弯管 采 用 5倍 管 径 的 曲率 半径 需要 的管道长度 为 1 0 5 7 Il l ，
5、1 2 13 q的单 管 长度可满足要求。但厂家在试制过程中发现对于 D 1 2 1 9 m i l l 管 若采用 曲率半径 R=5 D f D为管 径 )来 生产 9 0 热煨 弯管 其 减 薄率无 法满 足规 范 要求 因而只能生产出曲率半径 R：6 D的热煨弯 管 此时需要的单管长度为 l 2 4 8 m此值大于单 管标准长度 因此一个 9 0 热煨弯管需要用 2个小 角度的热煨弯管拼接而成 且 ：6 D热煨弯管 的 安装 需要 占用更 大 的空 问 ( 3 )始发井设计井深为 4 0 IT I 接 收井设计井 深 为 1 2 1 T I 在 管 道 安 装 布置 时 在 始 发 井
6、中 除 了 要设置 2个 9 0 热煨弯管 ，还要在弯管间设置 2 0 I T I 的直管段 ，但井深还是能满足上述要求 对于接收 井 由于考虑盾构机出洞安全 并且为了降低接收 井 施 T 难 度 、风 险 和 投 资 因 此 设 计 的 井 深仅 为 1 2 13 3 这 样 就 没 有 足 够 空 间布 置 2个 9 0 。 热 煨 弯 管只能布置 2个 5 5 。 热煨弯管 而且弯头之间的 直管段 较短 补偿 能力 差 按照常规的补偿方法 依靠 2个竖井内的 z型 补偿器对盾构隧道内直管段的操作温度 、压力及试 验压力等荷载作用进行补偿 ，能够满足管道施_T 、 运行 过程 中的强度要求
7、 但 由于 该 _ = 程 的 2个 Z型 补偿 器 的作用 严 重 不对 称 导 致荷 载 效 应 ( 位 移 、 第 3 9卷第 6期 光辉 ：不 利补偿条件下长距离穿越管道的心 力分析 及安装设计 3 1 内力 、应 力 等 )向一端 集 中 ，这 可 能导致 管道 补偿 不能满足文献规定的管道强度要求。因此 ，需通过 管道应力计算来确定管道安装的补偿方案。 南于现行规范没有给f H 架空管道在复杂边界条 件下管道内压 、温度 、摩擦 等荷 载效 应 的计算方 法 大 】 此 笔 者考 虑采 用 2种有 限元 软件进 行 管道 受 力分析 和计 算 并采 用 简化 的理论 公式进 行 计
8、算 校核 + 0 L 卜 1 管 道 安装 的应 力分析 1 1 传统管道安装应力补偿方法计算 传统的管道安装方案通常在两岸 井外设置锚 同法兰 和锚 固墩( 此点 可视 作管 道应 力分 析时 的同 定约束点) 在竖井内设 z型补偿器 ，隧道内管道 支座 与管 道之 间 的摩擦 系 数按 0 _ 3考 虑 ，采用 A N S Y S有限元软件对管道所受的应力进行分析，其最 不利组合工况下计算结果见网1和罔2 。 糊幽 0- _ 幽幽 戮幽糊瞄 目 豳 麓蠲 一 92 E+ 092】 7 E+ O 9 2 41 E+ O 92 6 6 E+ O 9-2 9 0 E+ 0 93 1 5 E+ 0
9、 9 3 3 9 E 0 93 6 3 E+ 0 9 3 8 8 E O 941 2 E+ 0 9 图 1 在最不利组合工况下的管道最大当量应力云图 ( 接收 井) P a 最大应力 21 3 E+ 0 9一J 4 5E+ O 9 一 7 6 5 E十 0 8一8 】 3 E+ O7 6 0 2 E+ 0 8 J 2 9 E+ 0 9 1 9 7 E+ 0 9 26 5 E+0 9 3 3 4 E+ 0 94 O 2 E+ 0 9 图2在最不利组合T况下的管道最大轴 向应 力云图( 接收井) P a 从 图 巾可 看 ：最 大 当量 应 力 6 =4 1 2 M P a 0 9 6 =4 9
10、6 8 MP a ( 6 为管 材 的屈 服应 力 ) ，满 足 文献规定的许用应力条件要求 ；最大轴向应力 6 = 4 0 2 MP a ：2 2 0 8 MP a ( 为管 材 的许 用 应 力) ，此值不满足文献规定的许用应力条件要求 采 用 管 道 应 力 计 算 专 业 软 件 C A E S A R I I 进 行 复核 在 试 玉T 兄和操作 工 况下 管 材应 力分 别超 过文 献规 定 限值 的 2 7 和 1 4 2 1 2三种管道安装应力补偿 方案及其应力计算 应力 计算 表 明 采 用传 统 的安装 应力 补偿 方法 对管道进行补偿不能满足现行规范规定 的强度要 求 为
11、此 提 丁 3个 满足强 度要 求 的安装 应力 补偿 方 案 见表 1 采用 有 限元 软件 对 3 个 方 案 的管 道补 偿应 力进 行计算 结果显示管道所受应力都能满足规范规定 的强度要 求 2管道 安装 设计 方案 的选 择 2 1 管道应力补偿方案比选 对上 节 提 的 3个 管道 安装 应 力补偿 设计 方 案 表 1 管道 安装设计方案 方案号 方案名称 方案 内容 北 岸接 收井地 面 将 北岸接收井管道 出井处地 面加高 1 0“ 方 案 1 左右 人 工修 筑一 斜土 堤供 管 道通 过 抬高方案 使管道逐渐穿入 自然地面线以下 隧道 内固定支 座 提高管 卡的预 紧力
12、增加管卡 和管道 摩 方案 2 擦力 将隧道 内管道 固定在管 卡上 方案 传力方式将管道 同定在隧道结构上。 井外应力补偿 取消竖井外同定墩 放松管卡 紧固力 充 方 案 3 分利甩井外的地形 发挥出井后管道和坚 方 案 井内管道的联合作用对隧道内管道的补偿 进行 分析 研究 将 它们 的优缺 点列 于表 2 根据表 2的分析结果 最终判定管道补偿方案 3为最 优 故 采用 方案 3即井外 应 力补 偿 方 案作 为 管道 安装 设 计方案 2 2 管道安 装设 计方 案的 实现 根据 井外 管道 应力补 偿方 案 井外 的埋 地管道 存井 内管道的荷载作用下须产生适量的变形才能实 现对 管
13、道 的补偿 作 用 因此 需要 对井外 的埋 地管 道做 以下构造设计 ： 3 2 石 油I t 程 建 设 表 2 三种备选 管道安装应力补偿方案的优缺点 方案 优点 缺点 1 隧道 内管 道两 端 的 z型 1需 要大量 的土方填方和挡墙 补偿器基本对称 方案 1 支护 2提高了补偿效果 将管道 2永久征地面积增加较多 应力降到规范的限值 内 1 基 本不需 要 两岸 竖 井 内 1 管 卡处会 出现应力集中 管道的应力补偿作用 2 管 道传 给隧道壁 的力 过大 2 管道受荷载应力较小 会影响隧道壁结构的安全 方案 2 3 高强螺栓长期处于潮湿腐蚀 3结构模型简单 对原方案 的改 动最
14、小 设 计 周期 环境 ，耐久性难以保证。 4 过大 的预紧力会破 坏管道防 短 。 腐层并增加管卡用钢量。 1 补 偿效 果好 管道 应力 降到规 范限值 以下 1 管道为空 间受 力体系 结构 2 取 消 了 固定 墩 节 省 了 模型复杂。 方案 3 一对 锚 固法 兰 、5 0 0 in 2 管道的安装构造 复杂 混凝 土 和 4 0 t 钢筋 降 3 需要增加一些管道支墩 低了丁程 费用 ( 1 )在 始 发 井 、接 收 井 的外 侧 连 续 设 置 管 道 应 力补 偿用 热煨 弯管 f 2 )管 道应 浅埋 ( 3 )宜采用细砂 回填管沟 ，压实系数要小。 3管道安 装设计 方
15、 案的优 化和 对 比分 析 在 管 道安 装 总体 布 置方 案 确定 后 ，还 需 要 根 据该方案的要求 进行设计 并将本工程中出现的 其他 难题 逐一 解决 。 3 1 热煨 弯 管的加 工方案 热煨弯管采 用 R=6 D的加工方案 ；对 于 9 0 。 的热煨弯管需用 2个弯管组合 而成 ，设计人 员通 过比选 最后确定采用 8 0 。 弯管 +1 0 。 弯管的组合 l方式 。 3 2减 小管道 附加应 力的措 施 南管道的应 力计算 结果 可知 最大应 力一般 出现 在 两 端 竖 井 的 弯 头 附近 。该 区域 的 应力 水 平 比直管段大 5 0 以上 分析其原 因，竖井 区域 的 管道应力除 了由于管道内压和温度产生 的荷载作 用外 重力( 或浮力 )荷载也会产生较大 的弯 曲 应 力 因此 采取措施减小管道 的重力影 响，也 能 减 小 竖井 区域 的管 道 应 力 本 工 程 主要 采 取 了 以下 措施 ： ( 1 )取消竖井 内影响管道纵向变形的三角支
