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地下压力管道开孔部位的有限元分析

发布于:2018-07-30 15:46
有限元分析

      随着社会生产力的发展,管道工程的应用范围越来越广泛。埋地管道建设工程当中,难免由于管道输送距离长,铺设时预留的分支管道接不合适等原因,需要进行支路、主管道的改造和建设。为避免对人们的生产和生活造成影响,就要在主管道带压正常运行的情况下开孔施工。
      由于埋地管道使用介质、工作状况特殊,开孔位置在开孔施工及运行过程中的安全性能越来越引起人们的关心和重视。因此,对开孔一连接器结构在载荷作用下的应力分布规律进行有限元分析,可以为管道开孔工程的安全保证提供有力的理论依据。
将压力管道带压开孔专用连接器简化为三通结构。根据管道实际连接情况及结构特点,取结构的1/2建立有限元模型,采用三维壳单元建模。对有限元模型进行网格划分方法,是在主管开孔区域适当增加单元密度,距离开孔区域较远的端部,网格划分相对稀疏。
      根据埋地压力管道的特点,载荷主要考虑内压、管道及连接器的重量、施工时动力头的重量、垂直上压力及地面车载。施加载荷时,在模型对称面上施加对称约束。主管两端约束根据地基的硬度、回填上夯实程度等因素,分别按两端所有节点完全约束、部分节点完全约束、部分节点部分约束及一端全约束一端部分约束、全部节点部分约束5种情况进行讨论。
      建模尺寸采用施工时开挖工作坑的长度3.3m,然后对有限元模型施加不同的约束及载荷,讨论在相同的约束条件下,不同载荷对埋地管道地基凹陷时的影响程度,这样可以在工程实践中引导操作,使管道应力控制在要求范围内,确保管道安全运行。
      对于基础相对刚硬的悬跨管道,可以近似采用两端嵌固纵横弯曲模型,即对管道两端进行全约束,就是将管道两端所有节点施加6个约束。
      (1)开挖工作坑进行带压开孔接管操作时,对管道及连接器施加的载荷大小为:
      管道内压:P=300kPa
      动力头重力:P,=2kN
      连接器重力:P,=2.8kN
      (2)管道及连接器总体应力的分布情况
      由于结构及载荷的对称性,管道及连接器的应力分布是对称的。最大应力出现在管道开孔前方,其附近区域及开孔肩部属于危险点。
      工艺管上端也属于危险点,由于施工时要用动力头实施钻孔,动力头木身有一定的重量,再加上动力作用,因此在工艺管端部需采取一定的措施,比如增大受力面积、操作平稳减小动力等。
      应力最小值出现在管道跨中的下半部位、跨中与悬空段起始位置的中间部分及连接器工艺管的中间部位。因此,在施工的时候,开孔位置要选在应力值最小的这个区域。
      根据建模时所采用的工况,由ANSYS分析结果,证明DN300的管道带压开孔4240施工时是安全的。
      管道新开支路后正常运行,当地基由于各种原因发生凹陷时,管道上就会承受上部垂直上压力及地面车载。为了分析上压力与车载的影响程度,对管道分步施加载荷。
      (1)管道所受载荷大小为:
      管道内压:P=300kPa
      连接器重力:P,=2.8kN
      垂直上压力:Q=25kN/m
      地面车载:P= 37.33kN/m
      (2)管道只承受上压力时。当管道只承受均布上压力时,应力的最大值出现在管道开孔截面的前方处,并且从最大值处逐渐向中间延伸缩小。应力最小值出现在工艺管的中上部,以及跨中与管道悬空起始处之间部分的上下管面。
      (3)管道只承受地面车载时。地面车载按照扩散角理论得出,作用在4m范围内以均布载荷计算。如果管道在这4m范围之内,作用结果与均布上压力一样,因此这里讨论的地面车载是在管道的一端(右半部分)。


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