葉海斌 王鈺 王京京 楊奎

西部管道獨山子輸油氣分公司

摘要：針對隧道內埋地油氣管道搶修特點(diǎn)，綜合常用龍門(mén)架的結構特性，設計了一種針對性較強的隧道專(zhuān)用小型龍門(mén)架。利用ABAQUS有限元設計軟件建立3D模型并對變形進(jìn)行分析，分別從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面分析了龍門(mén)架受力情況，將其與模擬結果進(jìn)行比較由此得到設計改進(jìn)方案。制作的龍門(mén)架經(jīng)用于應急演練表明可以滿(mǎn)足使用要求。

關(guān)鍵詞：隧道埋地管道；應急搶修；龍門(mén)架；有限元設計

 

西二、三線(xiàn)果子溝隧道群位于新疆西天山，其中果子溝段隧道穿越工程是整個(gè)西北能源動(dòng)脈的咽喉。山區地勢險峻，地質(zhì)條件特殊，氣象條件惡劣，平均海拔1800 m～3000 m。該管段是地形最為復雜的管段之一，長(cháng)約30 km，管道沿河谷敷設，經(jīng)過(guò)的大部分地段溝谷彎曲，局部采用隧道方式穿越山體隧道7條，累計長(cháng)度約6200 m。西二、三線(xiàn)天然氣管道在隧道內并排埋地敷設，作業(yè)空間狹小位置受限，周邊道路通行條件差，不具備大型搶修設備機具作業(yè)條件。隧道內管道泄漏搶修一直是困擾行業(yè)的最大難題之一，國內沒(méi)有成熟經(jīng)驗可借鑒，給應急維搶修工作提出了巨大挑戰。

1  前期調研分析

為解決隧道內管材、機具運輸和組對焊接問(wèn)題，首先對果子溝內伴行道路通行條件實(shí)地調研，制定演練搶修車(chē)輛的行進(jìn)路線(xiàn)。再依據果子溝隧道設計文件，現場(chǎng)實(shí)際測量隧道長(cháng)度、寬度、坡度等工程尺寸及隧道內部地面情況。對吊裝設施設備進(jìn)行調研，現有成熟產(chǎn)品包括簡(jiǎn)易龍門(mén)架使用起來(lái)較為笨重不夠靈活，影響隧道現場(chǎng)作業(yè)。為此需要研制一種快速安裝、靈活輕便、操作簡(jiǎn)單、結構穩定的隧道內專(zhuān)用龍門(mén)架吊具。

2  龍門(mén)架結構設計

根據隧道內空間環(huán)境和管道搶險使用要求，計劃設計一種集行走、上下垂直起吊、具有一定載重能力于一體的軌道式龍門(mén)架。

2.1  主體結構

隧道專(zhuān)用龍門(mén)架主體結構如圖 1所示。在吊架底部分別安裝四組滑輪，每組滑輪承重2 t，在工字鋼軌道上可靈活移動(dòng)，軌道兩側通過(guò)三個(gè)方形槽鋼框架固定，同時(shí)在吊架頂部焊接工字鋼橫梁支撐架。

圖 1 隧道專(zhuān)用龍門(mén)架主體結構圖

2.2  主要參數

龍門(mén)架設計參數主要包括基礎參數和工藝參數兩部分�；�礎參數通過(guò)實(shí)地測量作業(yè)面、搬運及起吊物資的額定值確定。工藝參數通過(guò)測量需起吊的仿真模具重量、高度、載重等確定[1]，如表 1所示。

表 1 隧道專(zhuān)用龍門(mén)架基礎參數及工藝參數

2.3  龍門(mén)架結構強度分析

龍門(mén)架主體結構由100 mm×48 mm槽鋼焊接而成，其手拉葫蘆所在橫梁及主體結構下方的導軌采用160 mm×88 mm工字鋼，導軌與固定底座用螺栓連接。根據型鋼尺寸得知龍門(mén)架骨架基本截面參數如表 2所示。其中槽鋼構成龍門(mén)架的主體結構，工字鋼為龍門(mén)架提供移動(dòng)導軌和承重作用。

表 2 龍門(mén)架骨架截面幾何參數

2.4  梁的方向

如圖 2所示，精確設計梁的擺放位置需要確定梁截面的三個(gè)方向，  其中n1、n2代表梁的橫截面位置， t代表梁的軸線(xiàn)方向。

圖 2 梁截面方向示意圖

針對龍門(mén)架結構建立3D梁結構模型，并根據表 2幾何參數賦予龍門(mén)架結構的截面屬性，建立龍門(mén)架3D幾何模型[2]，如圖 3所示。

圖 3 龍門(mén)架幾何模型圖

2.5  載荷及邊界條件

龍門(mén)架工作載荷主要為手拉葫蘆拉升重物。將該載荷簡(jiǎn)化為集中載荷，手拉葫蘆移動(dòng)工況，集中載荷位置主要在橫梁邊緣和橫梁中心變化。

龍門(mén)架四根豎直槽鋼與滾輪焊接并在固定導軌上移動(dòng)，考慮龍門(mén)架底座邊界約束。對圖 3所示幾何模型施加載荷和邊界約束，得到如圖 4所示龍門(mén)架3D有限元模型，均由中心載荷和邊緣載荷構成。

圖 4 龍門(mén)架載荷及邊界約束示意圖

2.6  許用載荷計算

槽鋼或工字梁的常用材料為Q235，其許用應力一般為屈服強度的一半，通常取115 MPa。由于有限元模型中集中載荷均為單位載荷（t，下同）[3]，故許用應力與當前計算的截面最大應力的比值即為龍門(mén)架能安全承受的載荷，如表 3所示。

表 3 單位載荷龍門(mén)架截面應力及其分布

2.7  龍門(mén)架承載分析

中心載荷作用下，工字梁中心承受彎矩最大時(shí)其截面最大應力為22.23 MPa；側面橫梁中心最大截面應力為24.80+8.91=33.71 MPa；邊緣載荷作用下，工字梁不承受載荷，此時(shí)側面橫梁中心受到彎矩最大，對應的最大截面應力為4.04+24.60=28.64 MPa。龍門(mén)架承受的最大安全載荷為115/33.71=3.41 t。

2.8  設計要點(diǎn)

龍門(mén)架主要應力點(diǎn)位于與工字梁兩端連接的側面槽鋼中心部位，其承受的最大安全載荷為3.41 t。由于該處結構采用100 mm×48 mm槽鋼焊接而成，若將其換為126 mm×53 mm槽鋼，將能提高龍門(mén)架承載能力。

3  龍門(mén)架應用

（1）設計制作的龍門(mén)架如圖 5所示，主體尺寸為12.0 m×1.5 m×2.4 m，經(jīng)測算滿(mǎn)足設計目標值要求。

圖 5 龍門(mén)架設計效果

（2）實(shí)測4人、20分鐘完成一套龍門(mén)架安裝，滿(mǎn)足30分鐘目標值要求。

（3）熟練掌握吊裝方法后， 15分鐘即可完成物資吊裝和軌道滑行至指定位置。

（4）2021年9月，該龍門(mén)架在果子溝隧道天然氣泄漏應急演練中應用，圖 6為龍門(mén)架安裝與使用現場(chǎng)。

圖 6 龍門(mén)架現場(chǎng)安裝應用

4  結語(yǔ)

移動(dòng)式龍門(mén)架根據隧道內管道搶險實(shí)際情況自主設計制作，組裝簡(jiǎn)便，結構穩定，操作靈活，吊物起吊高度較高，有效減輕了作業(yè)人員勞動(dòng)強度。為了保證龍門(mén)架工作可靠性和安全性，設計初期選材和結構參數確定較為保守。為減少耗材、提高工作效率，需對龍門(mén)架結構進(jìn)一步優(yōu)化，如改進(jìn)槽鋼、角鋼和工字鋼的側邊傾角，采用電動(dòng)葫蘆起吊以便更加安全高效。

 

參考文獻：

[1]濮良貴，陳定國，吳立言.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2013：41-46.

[2]肖黎明.Pro/E零件設計完全解析[M].北京：中國鐵道出版社，2011：103-107.

[3]徐格寧，杜蜀，李聚軒，等.龍門(mén)吊機門(mén)架結構的有限元分析[J].起重運輸機械，1997(1)：8-11.

 

作者簡(jiǎn)介：葉海斌，1983年生，工程師，畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，本科，現任獨山子維搶修中心副主任，從事管道維搶修相關(guān)工作。聯(lián)系方式：15299299956，yhb111@163.com。