韓桂武1 熊健2 茹志敏1

1.中國石油天然氣管道工程有限公司；2.國家管網(wǎng)集團工程技術(shù)創(chuàng )新有限公司 

摘要：針對隧道內的油氣管道嚴重位移、管箍變形和螺栓脫落等情況進(jìn)行計算分析。根據管道安裝的工況采用有限元計算方法，考慮內壓、溫差、水浮力荷載和管箍約束等因素以及充水運營(yíng)、抽水檢查和再次充水三種工況，對管道不同工況進(jìn)行模擬計算。計算結果顯示雖然管道處于安全的應力狀態(tài)，但是彎頭附近的支座螺栓出現應力超標的情況。數值模擬計算結果解釋了問(wèn)題出現的原因，并依此提出了管道支座修復的建議。

關(guān)鍵詞：在役管道；鉆爆隧道；有限元分析；管道應力；管道支座

管道以隧道穿越方式穿越大型河流，如忠武線(xiàn)汨羅江隧道、西一線(xiàn)延水關(guān)黃河隧道、西二線(xiàn)中衛黃河隧道等，因隧道襯砌隔水性差，漏水較嚴重，通常都采用充水方式運營(yíng)。根據SY/T 6068―2014《油氣管道架空部分及其附屬設施維護保養規程》總則規定：II～III等養護的架空工程結構定期檢測宜為6～10年。在2019年，將西二線(xiàn)某水下隧道進(jìn)行抽水并進(jìn)行結構性檢查，發(fā)現大量的管道支架變形、螺栓失效的問(wèn)題。

1  工程概況

西二線(xiàn)某大型河流穿越隧道采用“斜巷+平巷+斜巷”的穿越形式，西岸斜巷設計傾角25°，長(cháng)為310 m；平巷段長(cháng)434.8 m；東岸斜巷設計傾角20°，長(cháng)453 m。隧道水平長(cháng)1141 m，總長(cháng)1197.8  m。隧道穿越地層主要為寒武系香山群磨盤(pán)井組淺變質(zhì)灰綠色長(cháng)石石英砂巖、千牧狀板巖和絹云母化千牧巖。穿越圍巖級別劃分為Ⅳ～Ⅴ級，其中Ⅳ級圍巖段位于隧道中段，水平長(cháng)886.70 m，斜長(cháng)918 m；Ⅴ級圍巖段位于隧道進(jìn)出口段，其中西側進(jìn)口段水平長(cháng)183.6 m，斜長(cháng)202 m，東側出口段水平長(cháng)71.10 m，斜長(cháng)76 m。

隧道斷面形狀考慮圍巖物理力學(xué)特性、地應力大小及方向，根據不同的圍巖級別分段采取不同的襯砌結構。由于該隧道為巖質(zhì)隧道，遵循新奧法（NATM）原則，采用鉆爆法施工，盡量利用圍巖的自承能力，隧道內平巷段斷面和斜巷段圍巖采用直墻圓弧拱形，凈寬4.50 m，拱高2.25 m。由于巖體裂隙發(fā)育且承水高壓，隧道總用水量可達到720 m3/d～900 m3/d，施工過(guò)程中采取了水泥、水玻璃雙液注漿封堵裂隙水的方法。

隧道內采用雙管敷設。主管道D1219 mm，壁厚26.4 mm，管材為X80直縫埋弧焊鋼管，熱煨彎管段壁厚為33 mm。設計壓力為12 MPa，夏季運行壓力8 MPa～9 MPa，冬季運行壓力9 MPa～11 MPa，運行溫度為40℃左右；備用管道D1016 mm，尚未運營(yíng)。以主管道作為研究對象，根據現場(chǎng)調研并結合竣工資料，確定輸氣管道實(shí)際設置固定墩4個(gè)，隧道外兩側和隧道內斜巷段各1個(gè)。隧道內支墩67個(gè)，支墩采用不銹鋼材質(zhì)，支墩間距約16 m～18 m不等（圖 1）。

圖 1 西二線(xiàn)某隧道內管道安裝縱斷面

錨固墩、支墩均采用C25混凝土現澆，鋼筋保護層為40 mm。管箍為不銹鋼材質(zhì)，熱鍍鋅。錨栓材質(zhì)為Q235Az，采用雙螺帽，螺栓露頭100 mm，下部為爪式，均鍍鋅，錨固在基巖內的長(cháng)度不小于1000 mm，每個(gè)管箍由兩個(gè)螺栓與支墩固定，每個(gè)螺栓受拉承載力不小于26.9 kN，螺栓孔為Φ80 mm。

2  管箍失效情況

抽水完成后，檢測人員在隧道共發(fā)現28處管道支座上的管箍出現不同程度的變形、螺栓脫落等失效問(wèn)題，其中西側進(jìn)口段的靠近隧道洞口的支墩變形最大（圖 2）。該段多處管箍出現明顯向洞內傾斜變形的特征，造成了管箍螺栓脫落、彎曲或崩斷，說(shuō)明管道在安裝之后出現非常大的位移，由于管箍的約束而產(chǎn)生了強烈的相互作用，導致多個(gè)螺栓彎曲或崩斷等情況。統計發(fā)現靠近錨固墩位置的管箍未損壞，隨著(zhù)離錨固墩距離的增加，損壞管箍數量也相應增加，說(shuō)明錨固墩對管道起到一定固定作用。根據支座翹起的情況可以判斷管道的變形量非常大，可達30 cm～50 cm。

圖 2 隧道西側進(jìn)口處彎頭附近管箍失效

3  應力分析

采用初步理論分析和有限元仿真技術(shù)相結合的方式，利用ANSYS軟件對管道在充水、抽水和再次充水三種工況進(jìn)行分析計算[1-2]。

3.1  隧道充水運營(yíng)工況

正常運行工況下隧道內充水，此時(shí)管道處于漂浮的狀態(tài)，通過(guò)核算，管道漂浮力大于管道的自重力，兩力方向相反，合力向上，約為0.5倍的管道重力。計算過(guò)程首先要對管道的整體應力狀態(tài)進(jìn)行校核，還要對整體支座的受力狀態(tài)進(jìn)行核算。由于管道變形和管箍失效突出表現在西側井口位置，因此著(zhù)重對該處管道應力分析計算（圖 3）。

圖 3 西側井口附近段管道應力分布

管道應力校核。西側井口上段的管道受端頭效應和熱脹效應影響，位移最大處位于中間彎頭處，最大值為46.5 mm，管道整體有向彎頭擠壓的趨勢；由于彎頭具有一定的補償作用，管道最大組合應力值相應減小，為365 MPa，小于管道允許的極限組合應力499 MPa。因此，管道在操作工況下受力處于安全狀態(tài)。

支座約束力和螺栓強度校核。根據上述有限元計算結果，提取模型關(guān)鍵節點(diǎn)號得到對應的錨固墩及支座的約束力。其中力的方向規定，橫向作用力沿著(zhù)X軸正向為正，豎向作用力沿著(zhù)Y軸正向為正。除了錨固墩對管道提供的約束力之外，在彎頭附近的2～3個(gè)支墩范圍內同樣給管道提供了非常大的約束力。支座提供的外力，既有豎向向上的力也有向下的力。根據支座的特點(diǎn)，支座向上的力由支座底部的混凝土基座提供，支座向下的力由鋼螺栓傳遞至底板提供。由于錨固墩體積較大，可以穩固地約束管道，本文不再考慮錨固墩的約束力和結構的校核。對于支墩而言，體積較小，且兩側僅有兩條不銹鋼管箍和4個(gè)Φ18 mm螺栓固定。參考《鋼結構設計規范》確定Q235螺栓的抗拉強度取值140 N/mm2，抗剪強度可取70 N/mm2進(jìn)行計算。

當4個(gè)Q235級的螺栓起作用時(shí)，螺栓最大提供的拉力為1.42×105 N的力。14號節點(diǎn)提供拉力值為2.8×106 N、50號節點(diǎn)提供拉力值為8.6×105 N 、74號節點(diǎn)提供拉力值為1.1×105 N，三個(gè)值均大于或者接近螺栓最大提供的拉力（表 1），因此該節點(diǎn)處的管道支座螺栓不能確保處于安全的狀態(tài)。這也就解釋了為什么在管道彎頭附近，管道出現了大的變形并帶動(dòng)了管箍的變形或破壞。

表 1 西側井口支墩提供的外力值

當混凝土基座提供向上支撐力時(shí)，可提供的最大支撐力為4.52×107 N，大于2號節點(diǎn)7.3×105 N的混凝土基座提供最大的支撐力，說(shuō)明基座混凝土的強度可以滿(mǎn)足要求。

3.2  隧道抽水檢查工況

抽凈隧道內部水，管道承受浮力消失，管道支座多數提供管道自重，但是在彎頭附近仍然出現大的位移和應力集中現象，從整體的管道應力分布來(lái)看，隧道內部的四個(gè)彎頭處都是位移集中和應力集中的位置，其中西側下部彎頭應力值最大為491 MPa，但仍小于規范允許的管道極限應力值。

3.3  隧道再次充水工況

管道和支座修復后，需重新充水運營(yíng)，管道重新漂浮于水中，由于支座的約束作用，避免管道漂浮水面上方與隧道內壁發(fā)生碰撞。本工況與上一工況的區別在于水浮力的作用，其他的內壓、溫度及約束狀態(tài)基本不變。

管道產(chǎn)生最大22.1 MPa的附加應力，同時(shí)產(chǎn)生2.4 mm最大的位移量。管道支墩的螺栓受力最小為4.97×104 N，最大為9.97×104 N，均小于4個(gè)Q235級的Φ18 mm螺栓起作用情況下，螺栓14.2×104 N的拉力極限值�？梢�(jiàn)僅是浮力發(fā)生變化，管道在螺栓作用下是可以保證安全運作的。

4  計算結果分析

通過(guò)對隧道內充水運營(yíng)、抽水檢修和重新充水運營(yíng)的三個(gè)階段的管道應力和支座約束反力的模擬計算，可以得出如下分析結論。

在三種不同工況下的管道應力校核都是安全的，即管道都處于安全的運營(yíng)狀態(tài)；在充水運營(yíng)階段，管道受到內壓、溫差、自重和水浮力、支座約束等綜合作用，表現為在彎頭處管道產(chǎn)生較大的位移，從而引起上下游2～3個(gè)約束支座發(fā)生連帶變形；數值模擬計算表明彎頭上下游管道受力不均，出現較大的應力集中，通過(guò)應力校核發(fā)現支座的螺栓出現應力超載失效情況；鑒于管道位移是一種自適應的應力釋放行為，支座維修過(guò)程中保留管道現有的位移狀態(tài)，在此基礎上校核隧道重新充水的工況，表明支座螺栓不會(huì )超標，能夠正常承擔對管道的約束作用。

5  管道支座修復建議

根據以上應力分析計算結果，在保持管道原有的變形狀態(tài)、通過(guò)其自適應能力緩解應力集中問(wèn)題基礎上，建議支座與管道墊層間距保持10 mm～15 mm間隙，給予管道后期一定自適應能力；采用8.8級高強度螺栓，設計強度400 MPa，螺栓直徑為24 mm，若螺栓長(cháng)度足夠長(cháng)，建議每個(gè)螺栓上安裝2個(gè)螺母，且螺栓頭應該高出螺母2 mm以上；管箍與管道之間采用4 mm橡膠板墊層，墊板長(cháng)度2.5 m且內側與管道外層粘接，保證橡膠板不發(fā)生滑移；植入螺栓需進(jìn)行拉拔試驗，拉拔力不小于20 tf，破壞性拉拔力實(shí)驗可以在管道附近增加布置螺栓作為檢測強度應用。

參考文獻：

[1]唐永進(jìn).壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2009.

[2]趙麗京.石油化工管道設計應力分析基礎上的柔性設計[J].化工管理，2015，(26)：55-56.

作者簡(jiǎn)介：韓桂武，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事管道應力分析及巖土工程、地下儲油庫工程設計及研究工作。聯(lián)系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。