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水封隧道内天然气管道受力问题研究

2024-08-30 16 上传者：管理员

摘要：长输天然气管道是我国能源发展的生命线，国内先后建成投用了西气东输一线、西气东输二线等长输管道。不可避免要与黄河、长江等发生交叉穿越，形成控制性穿越隧道。其中一些为水封隧道。因为管道在水中会产生浮力。造成注水前后管道的受力情况发生变化，水封隧道中的管道约束成为一个棘手的课题。根据某处水封隧道内管道的现场检测过程，对隧道内管道在注水前后的受力情况进行了研究。

关键词：
支座约束力
水封隧道
管道变形
管道应力
锚固墩
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1、概述

某隧道为长输天然气管道穿越黄河的一处控制性工程。敷设一条管径1219 mm的天然气管道。参数为：管径D1219 mm，壁厚26.4 mm，管材X80。设计压力12 MPa，运行压力8～11 MPa，运行温度为45℃左右。隧道采用“斜巷+平巷+斜巷”，西岸斜巷设计倾角25°，长度310 m；平巷段长度434.8 m；东岸斜巷设计倾角20°，长度453 m。隧道水平长度1141 m，总长度1197.8 m。

2、隧道内管道安装情况

隧道管道支墩数量为99个，12 m间隔布置。其中隧道内95个，隧道外4个，东西两侧各2个。锚固墩共设置5个，其中隧道内3个，隧道外2个。锚固墩、支墩为C25混凝土。管卡为不锈钢材质热镀锌，锚栓材质为Q235Az，每个管卡由两个螺栓固定[1]。

3、隧道内管道的主体受力损坏情况

3.1隧道主体及管道管卡结构现场检查情况

隧道排水后进行了检查。从洞口至第一处锚固墩，管卡螺栓脱落和崩断较多，共有6处管卡出现损坏。从第一处锚固墩至隧道西斜巷段最后一处管道支墩，管卡和螺栓出现2处损坏，平巷段管道出现5处管卡损坏，东斜巷段由隧道底端至锚固墩，出现2处管卡损坏。由锚固墩至东侧出口，出现1处管卡损坏，东斜巷段锚固墩出现裂纹[2]。

3.2管道受力情况

(1)西侧洞口至锚固墩段，管卡存在斜向上变形，多处管卡螺栓脱落、弯曲或崩断。(2)西斜巷段从锚固墩至隧道底部的管卡损坏程度明显小于西侧洞口至锚固墩处的管卡损坏程度，靠近锚固墩位置的管卡未损坏，随着离锚固墩距离的增加，管卡损坏数量也相应增加。(3)平巷段有多处管卡损坏，大部分管卡损坏处螺栓并没有发生弯曲或断裂的情况。(4)东斜巷段管卡的损坏情况明显好于西斜巷段和平巷段，但是管道仍有在充水受力后斜向上的位移，导致部分管卡朝洞口一侧斜向上倾斜。

4、管道安装内力校核及管道支撑受力分析

4.1管道安装内力校核

4.1.1基本假定和参数

(1)计算模型：

计算工具(计算机辅助工程软件)ANSYS，版本号ver14.5；几何模型为管道单元，隧道内设置5个锚固墩，假定锚固墩处管道处于完全约束状态。本文将管道按照锚固墩的位置，将计算模型分成4段，统一建模并分段分析：①西侧隧道外1#锚固墩至隧道斜巷道2#锚固墩之间的管段；②隧道斜巷道内2#锚固墩至平巷道3#锚固墩之间的管段；③平巷道3#锚固墩至东侧隧道斜巷道4#锚固墩之间的管段；④东侧斜巷道4#锚固墩至隧道外东侧5#锚固墩之间的管段。

(2)基本假定。

①不考虑管道的局部缺陷和残余应力；②单位管道竖向荷载为管道自重、水浮力和支座支撑力；③支座无法限制管道的轴线位移，即管道可以沿着轴向发生位移错动，不考虑支座与管道的横向摩擦力；④锚固墩位置处的管道处于完全约束状态；⑤操作工况的荷载包括内压和温度变化产生的膨胀力。

(3)计算参数。

管线设计压力为12 MPa，运行最高压力11 MPa，管径为1219 mm，管道材质L555钢管，壁厚26.4 mm，热煨弯管为6D半径，运营温度和安装温度之差，按照+15℃考虑。

4.1.2工况的浮力计算

(1)计算工况。

隧道正常运行阶段为充水状态，此时管道处于漂浮状态。隧道内水全部抽掉，此时管道将失去浮力回落到支座上，由支座承担管道自重。因此需要按照两个工况进行计算和校核：①管道在自重作用下的应力校核和螺栓受力；②管道在浮力作用下的应力校核的螺栓受力。

(2)浮力计算。

管道单位长度的自重力为：

式中：Gg为管道自重力，N/m；π为圆周率，取3.14；De为管道外径，mm；Di为管道内径，mm；ρr为材料密度，kg/m3。

管道单位长度的浮力为：

式中：Gf为管道浮力，N/m；π为圆周率，取3.14；De为管道外径，mm；ρw为材料密度，kg/m3。

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0.5倍的管道重力。

4.2管道应力数值计算

4.2.1隧道充水工况

按照充水和不充水两种工况分别计算，分别对管道应力和支座约束力进行校核。

(1)管道应力校核。

根据计算结果可以得出如下结论：①隧道内管道受波尔登力和管道热涨效应，该段管道位移最大处位于中间弯头处，最大值为21 mm，管道整体有向弯头挤压的趋势；②由于弯头具有一定的补偿作用，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，最大应力值367 MPa要小于管道0.9σs=MPa；

(2)支座约束力和螺栓强度校核，如如表1所示。

表1充水工况下锚固墩及支座的约束力

力的方向规定为：横向作用力沿X轴正向为正，竖向作用力沿Y轴正向为正，弯头侧2～3个支墩提供较大约束力。支座提供的外力，既有向上的力也有向下的力，支座向上的力由支座底部的混凝土基座提供，支座向下的力由螺栓提供。因支墩体积较小，且两侧仅有两个不锈钢管卡和4个φ18 mm螺栓固定，有必要对支座的强度进行校核。

①当混凝土基座提供向上支撑力情况下，可提供的最大支撑力为：

已知：C30混凝土轴心抗压强度标准值为20.1 N/mm2；

混凝土支墩地面积为：1500×1500=2.25×106

计算：基座提供向上支撑力：Nzh=20.1×2.25×106=4.52×107；支墩提供最大的向上外力：4.31×105<Nzh=4.52×107

②当支座螺栓提供向下的外力时，可提供的最大支撑力为：

每个支座有2个管箍2个螺栓，四个管箍的螺栓同时提供外力只是一种理想状态，不利工况就是仅有某个管箍与管道接触紧密起到作用。根据现场设计螺栓为φ18螺栓，材质为Q235Az。参考GB50017—2003“钢结构设计规范表3.4.1-4条”，确定Q235螺栓的抗拉强度取值140 N/mm2，抗剪强度可取70 N/mm2计算。螺栓数量取中值，当4个Q235级的螺栓起作用情况下，螺栓最大提供的拉力为1.42×105N的力。14号节点提供拉力值为2.28×106N、50号节点提供拉力值为1.71×106N、74号节点提供拉力值为1.27×105N，三个值均大于或者接近螺栓最大提供的拉力，因此该节点处的管道支座螺栓不能确保处于安全的状态。

4.2.2隧道不充水工况

(1)管道应力校核。

根据计算结果可以得出如下结论：①管道受波尔登力和管道热涨效应，该段管道位移最大处位于中间弯头处，最大值为17.8 mm，管道整体有向弯头挤压的趋势；②由于弯头的一定的补偿作用，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，最大应力值329 MPa要小于管道0.9σs=499 MPa；③可见管道在操作工况下管道受力处于安全的状态。

(2)支座约束力和螺栓强度校核(如表2)。

表2不充水工况下锚固墩及支座的约束力

力的方向规定为：横向作用力沿X轴正向为正，竖向作用力沿Y轴正向为正，弯头侧2～3个支墩提供较大约束力。支座提供的外力，既有向上的力也有向下的力，支座向上的力由支座底部的混凝土基座提供，支座向下的力由螺栓提供。因支墩体积较小，且两侧仅有两条不锈钢管箍和4个φ18 mm螺栓固定，有必要对支座的强度进行校核。

①当混凝土基座提供向上支撑力情况下，可提供的最大支撑力为：

已知：C30混凝土轴心抗压强度标准值为20.1 N/mm2；

混凝土支墩地面积为：1500×1500=2.25×106

基座提供向上支撑力

Nzh=20.1×2.25×106=4.52×107

支墩提供最大的向上外力为

4.84×105<Nzh=4.52×107

可见管道提供的向上支撑力是满足混凝土底板处于安全的状态。

②当支座螺栓提供向下的外力时，可提供的最大支撑力为：螺栓数量取中值，当4个Q235级的φ18螺栓起作用情况下，螺栓最大提供的拉力为1.42×105N的力。14号节点提供拉力值为1.76×106N、50号节点提供拉力值为1.31×106N，两个支座螺栓约束力值均大于或者接近螺栓最大提供的拉力，因此该节点处的管道支座螺栓同样不能确保处于安全的状态。

5、结束语

1)在充水隧道内，管道支座表现为约束管道因浮力漂浮在隧道顶部，起到平衡浮力的作用，但在靠近弯头的部位，由于管道位移集中影响支座约束结果，将导致支座构件因承受很大的拉力或者剪力而造成的损坏。

2)天然气管道在弯头部位都有一定的变形协调能力，即管道通过在弯头处的自由变形从而释放应力，使得管道处于一种较低的应力状态。所以，采用支座限制管道在弯头处的管道变形通常情况下是不可取的，应该加大管道支座与管道间的缝隙和采用顺滑的材料代替橡胶板，在保证安全的情况下给与管道更多的自由协调能力。

3)在水封隧道内天然气管道的设计中，应该充分减小支墩螺栓的受力状态。主要方式：一是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。二是加强支座尤其是要加强螺栓的强度，应采用高强度螺栓，抗拉强度设计值至少应按400 N/mm2计算，同时改变支座形式3排螺栓一体的支座形式，要能够使6个螺栓同时受力。

参考文献:

[1]徐冠中,杨帆.沉降区埋地天然气管道焊缝应力分析及其对管道的影响[J].能源与环保,2023,45(1):123-128.

[2]焦轶恒,郭文兵,杨伟强,等.埋地天然气管道采动变形特征及安全距离预测[J].煤炭技术,2023,42(1):179-183.

文章来源:王飞,刘海静,宋奕,等.水封隧道内天然气管道受力问题研究[J].石化技术,2024,31(08):138-140.