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水下隧道在役管道的完整性分析

浏览量:122次发布时间:2021年09月15日

摘要:隧道内大口径输气管道在运营过程中容易出现管道变形、混凝土开裂或螺栓断裂等情况。以某水下隧道为例,采用有限元计算方法,首先对隧道内的管道应力进行校核;其次通过对支撑螺栓构件的材质和型号尺寸分析,从力学行为上解释了支持螺栓断裂的情况;根据计算结果和工程经验,对隧道内管道安装的修复方案提出了原则性建议。


1  工程概况

西气东输一线黄河隧道穿越工程延水关黄河隧道位于陕西省延川县延水关镇,黄河中游北干流晋陕峡谷中部(图 1)。根据工程概况已知,本段管线设计压力为10 MPa,管径为1016 mm  L485钢管,壁厚26.2 mm。

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图1 延水关黄河隧道穿越位置示意图

隧道设置支墩42个,其中隧道内40个(1#-7#支墩位于黄河西岸斜巷段,8#-31#支墩位于平巷段,32#-40#支墩位于黄河东岸斜巷段),隧道为2个。设置固定墩5个,其中隧道内3个,隧道外两侧各1个,如图2所示;管道支墩如图3所示。

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图2 管道安装纵断面示意图

(左侧为山西永和关侧,右侧为陕西延水关侧)

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图 3 管道支墩立面示意图

2 管道应力校核

2.1 水浮力与管道自重力的抵消

计算管道自重和管道浮力的组合力。

管道单位长度的自重力为:

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管道单位长度的浮力为:

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=7945.2(N/m)

≈1.28 Gg

可见,在充水运营工况下,管道漂浮力大于管道的自重力,由于两者方向相反,因此组合力为向上的,约为0.28倍的管道重力。

2.2 斜井段管道校核

以陕西段永和关出口处管道为例,斜井内外固定墩之间的管道应力进行校核计算。

2.3 平巷段管道校核

分别对斜井段和平巷段的管道应力进行校核(图 4至图6)。

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图5 平巷段管道组合应力分布图(VON MISES,Pa)

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图6  两侧弯头处管道应力分布(VON MISES,Pa)

根据计算结果有如下结论:由于弯头的补偿作用,管道最大组合应力值相应减小,最大组合应力值同样位于弯头部位,其中平巷段最大应力值224 MPa,斜井段最大应力值为281 MPa;每段管道最大组合应力值要小于管道0.9σs =436.5MPa,即管道在操作工况下管道受力处于安全的状态。


3 支撑受力的校核

3.1 现场情况

根据现场调研结果,发现在山西永和关侧的隧道斜井处,发生固定墩附近混凝土底板的破裂和临近的螺栓发生拉破坏(图 7、图 8)。

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图7 山西永和关侧斜井进口处弯头根部混凝土底板破裂

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图8 弯头附近的支墩螺栓拉破坏

3.2 螺栓力的校核

根据管道应力计算结果,得到各部位支墩提供的外力值(表 1)。

表1 不同部位支墩提供外力值(N)

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根据表 1,固定墩可提供横向和竖向外力约束力,约束了管道的水平伸长和竖向的翘起。支座提供的外力在竖向方向上有正有负,其中靠近固定墩最近的支座提供最大的向下的力。

根据支座的特点,支座向上的力由支座底部的混凝土基座提供,支座向下的力由钢螺栓传递至底板提供,由于混凝土支墩接触面积大,可提供足够大的竖向向上的力。

支座钢螺栓提供向下的外力时,与螺栓材质和个数有关。根据现场情况,每个支座有3~4个管箍,每个管箍配套2个螺栓,由于每组的管箍距离很近,但是与管道的接触状态无法准确确定,四个管箍的螺栓同时提供外力仅仅是一种理想的状态,而最不利工况就是仅有某个管箍与管道接触紧密,仅有2个螺栓起到了作用。现场设计螺栓为螺栓,参考GB 50017-2017《钢结构设计规范》规定,确定5.6级螺栓的抗拉强度取值210 N/mm²,抗剪强度为190 N/mm²。


表2 不同个数螺栓作用提供外力值(N)

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螺栓数量取中值,当4个5.6级的螺栓起作用情况下,螺栓最大提供的拉力为2.13×105 N的力。

根据表 1所示,25号节点提供拉力值为1.49×105 N、27号节点提供拉力值为2.1×105  N 、28号节点提供拉力值为3.6×104 N,三个值均小于螺栓最大提供的拉力,因此该节点处的管道支座螺栓能确保处于安全的状态。而22号节点提供拉力值为1.17×106 N>2.13×105 N,此时螺栓最大提供的拉力值不能满足约束管道向上位移的需要,此时螺栓将发生破坏,这也就是弯头附近的支座为什么出现拉断破坏,而其他支墩的螺栓没有发生受力破坏。


4 研究结论

(1)根据计算,在充水隧道内管道承受的浮力可抵消管道自重,一般情况下表现为管道上漂的情况,正是支座螺栓起到了约束管道上漂的作用。

(2)管道在靠近弯头的部位,由于整体位移值累计到弯头位置,将导致支座构件承受更大的拉力或者剪力的集中。

(3)在固定的附近的支座同样表现为力的集中,且表现为约束力的最大值,当约束力超过材质本身应力时就发生螺栓断裂现象,这与观测是相符的。


5 管道安装修复原则

隧道内的管道更表现为一种系统,即自身具有一定的变形协调能力。管道通过在弯头处的自由变形从而释放应力,使得管道整体处于一种较低的应力状态。相反,采用严格约束管道变形的方式不是最优的方案,往往出现约束力过大而发生螺栓断裂的情况。

因此在保证安全的情况下给予管道更多的自由协调的能力,这才是管道安装从经济和安全的角度所遵循的理念。基于以上原则,管道支座修改可考虑:

(1)适当增大支座与管道的缝隙,通过增加管道自由变形的协调量来减小支座承受的拉力值。

(2)支座垫层建议采用顺滑的材料代替传统的橡胶板,减小管道与支座的摩擦力,可适当提高管系的自由协调变形能力。

(3)根据应力计算结果,对于关键位置加强支座尤其是螺栓的强度值,减小断裂机率。

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