CN109829207A - 一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法 - Google Patents
一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，该方法包括以下步骤：确定管道基本参数；确定吊机布置方案；建立管道吊装下沟有限元模型；预估各吊点吊力，并在管道各吊点位置上施加吊力；计算管道吊装下沟应力和位移；管道吊装下沟控制条件判断；得到合理管道吊装下沟方案。本发明的有益效果为：通过采用有限元分析方法，将工程问题进行抽象化处理，使之简化为力学模型，模拟油气长输管道吊装下沟过程并计算得到合理的吊装下沟方案；从而为油气长输管道吊装下沟实施提供理论依据，并对施工过程进行指导，保障施工作业安全。
Description
技术领域
本发明涉及管道施工技术领域，具体而言，涉及一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法。
背景技术
随着国家基础建设投资的不断加大，各种输油、送气、供水等长距离输送管道的施工越来越多。管道整体吊装下沟施工技术以其快捷、安全、环保的优势，越来越广泛地应用到长输管道的施工中。由于相关的施工标准是参照有关工程经验制定的，没有完全考虑施工条件的影响，也缺乏相应的理论计算，使管道吊装下沟施工技术的应用主观性较强，现场预判能力较弱，导致施工效率和施工质量下降，可能导致管道损伤，存在施工安全隐患。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种数值模拟方法，得到合理的吊装下沟方案，对长输管道吊装下沟的施工具有指导作用。
本发明提供了一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，该方法包括以下步骤：
步骤101：确定管道基本参数；
步骤102：确定吊机布置方案；
步骤103：建立管道吊装下沟有限元模型；
步骤104：预估各吊点吊力，并在管道各吊点位置上施加吊力；
步骤105：计算管道吊装下沟应力和位移；
步骤106：管道吊装下沟控制条件判断；
步骤107：调整各吊点吊力和吊机布置方案，得到合理管道吊装下沟方案。
作为本发明进一步的改进，步骤101中，管道基本参数包括：管径、壁厚、下沟深度。
作为本发明进一步的改进，步骤102中，包括确定吊机型号、吊机台数和间距等。
作为本发明进一步的改进，步骤103中，中具体包含：
(a)管道简化为三维薄壁单元；
(b)管道与土体之间的摩擦和支撑作用采用接触单元模拟；
(c)假设计算管段足够长，吊装下沟部位不会对计算管段端部产生影响；
(d)计算管段两端采用自由约束；
(e)吊机对管道的起吊作用简化为集中载荷施加于管道节点上。
有限元分析时，需要将工程问题进行抽象化处理，使之简化为力学模型，进而采用有限元方法计算。
作为本发明进一步的改进，步骤104中，各吊点吊力按照水平方向和竖直方向进行分解，然后在管道各吊点位置上施加吊力(可分解为水平吊力和竖向吊力)，然后计算管道位移和变形。
起吊过程工，各吊点的吊力方向均为沿吊绳指向吊臂顶点。n台吊机，将各点吊力Fi进行分解，分解为水平吊力分量Fhi和竖向吊力分量Fvi，如图2所示，根据力的分解有以下关系：
Fhi＝Fisinαi(i＝1,2,......,n)
Fvi＝Ficosαi(i＝1,2,......,n)
式中，Fi为第i吊点的吊力；Fhi为第i吊点吊力Fi的水平吊力分量；Fvi为第i吊点吊力Fi的竖向吊力分量；αi为第i吊点合力方向与竖直方向的夹角。
作为本发明进一步的改进，步骤106中具体包括：
步骤S1，判断是否满足吊机起吊规律，若满足则进行步骤S2，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，当多次返回步骤104调整各吊点吊力仍然无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；
步骤S2，判断是否满足吊机承载力要求，若满足则进行步骤S3，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，当多次返回步骤104调整各吊点吊力仍然无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；
步骤S3，判断是否满足防撞要求，即管道是否碰撞管沟沟壁及管道是否碰撞吊机吊臂，若满足则进行步骤S4，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，当多次返回步骤104调整各吊点吊力仍然无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；
步骤S4，判断是否满足管道应力要求，若满足则进行步骤106，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，当多次返回步骤104调整各吊点吊力仍然无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案。
作为本发明进一步的改进，吊机起吊规律满足下列公式：
式中，Vi为未起吊时管道第i吊点横截面中心与第i台吊机吊臂顶点的水平距离；Hi为未起吊时管道第i吊点横截面中心与第i台吊机吊臂顶点的垂直距离；Vhi为第i吊点的水平位移；Vvi为第i吊点的竖向位移；Fhi为第i吊点吊力的水平吊力分量；Fvi为第i吊点吊力的竖向吊力分量。
其中，各吊点吊力的关系为：
式中，αi为第i吊点合力方向与竖直方向的夹角；
各吊点位移的关系为：在一定的臂展幅度条件下，管道起吊并发生位移后，各吊点的管道位置、吊绳长度和夹角唯一确定。起吊过程中，假设第i台吊机处，吊点的水平位移和竖向位移分别为Vhi和Vvi，如图3所示，则可根据几何关系得到：
式中，α′i为第i台吊机吊绳与竖直方向的夹角；
对于每一台吊机，合力方向即为吊绳方向，因此αi和αi′应相等，因此吊力与位移的关系为：即为吊机的起吊规律。
作为本发明进一步的改进，第i台吊机的承载力条件下列公式所示：
式中，Fi为第i台吊机的实际吊力，应包含吊钩或吊篮结构的重量；Li为第i台吊机的实际力臂；Foi为第i台吊机在吊绳垂直状态下的起吊能力；Loi为第i台吊机在吊绳垂直状态下的力臂。
其中，由图4可知，第i台吊机在某一吊臂幅度下垂直起吊时，吊机的起吊能力为定值，起吊能力以力矩来表示，该吊臂幅度下的额定起吊力矩为：
Moi＝Foi·Loi(i＝1,2,......,n)
式中，Moi为第i台吊机在某一吊臂幅度下的额定起吊力矩；Foi为第i台吊机在吊绳垂直状态下的起吊能力；Loi为第i台吊机在吊绳垂直状态下的力臂。
若第i台吊机在某一吊臂幅度下，起吊后吊绳不在竖直方向上(大多数情况下均如此)，发生内偏或外偏，如图4所示。此时，该吊臂幅度下的实际起吊力矩为：
Mi＝Fi·Li(i＝1,2,......,n)
式中，Mi为第i台吊机的实际起吊力矩；Fi第i台吊机的实际吊力，应包含吊钩或吊篮结构的重量；Li为第i台吊机的实际力臂。
应保证每台吊机具有足够的起吊能力，则
Mi≤Moi(i＝1,2,......,n)
即
Fi·Li≤Foi·Loi(i＝1,2,......,n)
因此，可得到第i台吊机的承载力条件为：
作为本发明进一步的改进，为了避免管道在吊装下沟过程中碰撞沟壁而损伤防腐层，如图5所示，管道位置应在一定范围内，管道各吊点位移应满足下列关系：
(a)当Rsinα-Hzd-R≤Vi≤-Hzd时：
(b)当Vi＜Rsinα-Hzd-R时：
Rcosα+Hd+(Rsinα-Hzd-R-Vi)tanα
≤Hi≤Hd+B+2dtanα-Rcosα-(Rsinα-Hzd-R-Vi)tanα
式中，d为管沟深度；B为沟底宽度；α为管沟边坡与竖向夹角；R为管道横截面半径；Hd为沟上管道中心距离管沟边缘的距离；Hzd为沟上管道支墩高度；Hi为管道第i吊点的水平方向位移，向管沟一侧移动为正；Vi为管道第i吊点的竖直方向位移，相对于沟上初始位置向上为正。
作为本发明进一步的改进，为了避免管道在吊装下沟过程中碰撞吊机吊臂而损伤防腐层，管道竖向投影位于吊臂竖向投影内部时，即管道吊起后位于内偏角时，应满足下列公式：
式中，βi为第i台吊机的吊绳与竖向夹角，βi＝f(Ai,Hi,Vi)；γi为第i台吊机的吊臂与竖向夹角，γi＝g(Ai)；R为管道横截面外圆半径；Li为第i台吊机的吊绳长度，即第i台吊机的吊臂顶点至管道第i吊点横截面中心的距离，Ai为第i台吊机的吊臂外伸幅度；Hi为管道第i吊点的水平方向位移；Vi为管道第i吊点的竖直方向位移。
其中，定义内偏为：管道吊起后，相对于吊臂顶点所在的竖向位置，吊绳偏向吊机一侧为内偏；内偏时，管道竖向投影位于吊臂竖向投影内部；内偏角定义为：管道内偏时，吊绳与竖直方向的角度。
为了避免管道在吊装下沟过程中碰撞吊臂，管道应在管道安全界线右下方，如图6所示。
作为本发明进一步的改进，管道轴向应力和当量应力的许用应力为80％SMYS(管材最小屈服强度)。管道在吊装下沟过程中不受内压，管道环向应力为0，管道温差载荷较小，且在管道变形过程中会得到释放，故温差载荷忽略不计。在吊装下沟过程中，管道中存在因管道弯曲变形产生的轴向应力，以及因起吊力和重力作用在管道横截面产生的剪切应力。
为了避免管道在吊装下沟过程中因应力过大而导致管道破损，参考PRCI研究报告《Ming Liu,Cody Degen,Yong-Yi Wang,and William A.Bruce.Management of PipelineLifting and Lowering-In Stresses(Phase I through Phase III).Contract PR-186-124510.》和《油气管道工程线路技术规定》CDP-G-OGP-PL-073-2015-1的方法，建议管道轴向应力和当量(Tresca)应力的许用应力为80％SMYS(管材最小屈服强度)。
本发明的有益效果为：通过采用有限元分析方法，将工程问题进行抽象化处理，使之简化为力学模型，模拟油气长输管道吊装下沟工程并计算得到合理吊装下沟方案；从而为油气管道吊装下沟实施提供理论依据，并对施工过程进行指导，保障施工作业安全。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法的流程图；
图2为本发明实施例所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法的吊机吊力分解示意图；
图3为本发明实施例所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法的吊机的位移关系示意图；
图4为本发明实施例所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法的吊机承载力力示意图；
图5为本发明实施例所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法的防止管道碰撞管沟沟壁示意图；
图6为本发明实施例所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法的防止管道碰撞吊机吊臂示意图；
图7为本发明实施例所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法的管道与管沟相对位置示意图；
图8为本发明实施例所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法的DYG90吊机起重性能曲线。
图中，
1、吊机；2管道；3、支墩；4、管沟；5、吊臂；6、吊绳；7、管道安全界线。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明提供了一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，该方法包括以下步骤：
步骤101：确定管道基本参数；
步骤102：确定吊机布置方案；
步骤103：建立管道吊装下沟有限元模型；
步骤104：预估各吊点吊力，并在管道各吊点位置上施加吊力；
步骤105：计算管道吊装下沟应力和位移；
步骤106：管道吊装下沟控制条件判断；
步骤107：调整各吊点吊力和吊机布置方案，得到合理管道吊装下沟方案。
进一步的，管道基本参数包括：管径、壁厚、下沟深度等。
管道2参数，如表1所示：
表1
| 序号 | 参数 | 符号 | 单位 | 数值 |
| 1 | 管径 | D | mm | 1422 |
| 2 | 壁厚 | t | mm | 21.4 |
| 3 | 钢级 | / | / | X80 |
| 4 | 管材最小屈服强度 | σ<sub>s</sub> | MPa | 555 |
| 5 | 管材最小强度极限 | σ<sub>b</sub> | MPa | 625 |
| 6 | 杨氏模量 | E | MPa | 2.1×10<sup>5</sup> |
| 7 | 泊松比 | μ | / | 0.3 |
| 8 | 管材密度 | ρ | t/m<sup>3</sup> | 7.85 |
管沟4参数，管沟4上开口宽度4.8m，沟底宽度2.5m，平均沟深3.4m，管段中心线距离管沟壁约为1.7m，距离吊机1履带约为1.7m，吊机1的履带边缘距离管沟中心线4.8÷2+1.7+1.7＝5.8m，支墩3高度0.5m，如图7所示。
进一步的，吊机1布置方案包括：假设采用吊篮下沟方式，8台吊机1同时作业，吊机1间距15m，采用DGY90型履带式吊机1，起吊载荷限值为85％倾覆载荷。
根据《DGY90型履带式吊机操作保养手册》，吊机1起重性能曲线如图8所示，起重性能参数如表2所示。吊机1起吊能力根据最大倾覆载荷的85％计算。
表2
其中，
1.幅度为吊钩中心到支重轮外缘水平距离。
2.表中起重量包括吊钩的重量650kg。
3.表中起重量是在整车水平状态下，在硬质地面上的起重量。
4.表中起重量为最大倾覆载荷，倾覆载荷的85％为动载荷，倾覆载荷的70％为行走载荷，行走载荷不大于30吨。
进一步的，吊装下沟控制条件，包括：
(1)防止管道碰撞管沟沟壁
为了避免管道2在吊装下沟过程中碰撞两侧沟壁，管道2应在管道安全界线7的上方，根据几何关系，计算管道2吊装下沟过程中的水平位移范围如表3所示。
表3
(2)防止碰撞吊机吊臂
悬挂管道2的吊绳6偏向吊臂5一侧有可能会碰撞吊臂5，为了避免管道2在吊装下沟过程中碰撞吊臂5，管道2应在管道安全界线7的右下方，根据几何关系，计算管道2吊装下沟过程中的最大内偏角范围如表4所示。
表4
(3)管道应力要求
管道2为X80钢级，最小屈服强度为555MPa，管道2轴向应力和当量(Tresca)应力的许用应力为80％SMYS(最小屈服强度)，为444MPa。
进一步的，计算得到某一个平衡方案如表5所示。
表5
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤101：确定管道基本参数；
步骤102：确定吊机布置方案；
步骤103：建立管道吊装下沟有限元模型；
步骤104：预估各吊点吊力，并在管道各吊点位置上施加吊力；
步骤105：计算管道吊装下沟应力和位移；
步骤106：管道吊装下沟控制条件判断；
步骤107：调整各吊点吊力和吊机布置方案，得到合理管道吊装下沟方案。
2.根据权利要求1所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，步骤101中，管道基本参数包括：管径、壁厚、下沟深度。
3.根据权利要求1所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，步骤102中，包括确定吊机型号、吊机台数和间距。
4.根据权利要求1所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，步骤103中具体包含：
(a)管道简化为三维薄壁单元；
(b)管道与土体之间的摩擦和支撑作用采用接触单元模拟；
(c)假设计算管段足够长，吊装下沟部位不会对计算管段端部产生影响；
(d)计算管段两端采用自由约束；
(e)吊机对管道的起吊作用简化为集中载荷施加于管道节点上。
5.根据权利要求1所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，步骤104中，各吊点吊力按照水平方向和竖直方向进行分解。
6.根据权利要求1所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，步骤106，具体包括：
步骤S1，判断是否满足吊机起吊规律，若满足则进行步骤S2，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；
步骤S2，判断是否满足吊机承受力要求，若满足则进行步骤S3，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；
步骤S3，判断是否满足防撞要求，即管道是否碰撞管沟沟壁及管道是否碰撞吊机吊臂，若满足则进行步骤S4，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；
步骤S4，判断是否满足管道应力要求，若满足则进行步骤107，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案。
7.根据权利要求6所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，吊机起吊规律满足公式(1)
式中，Vi为未起吊时管道第i吊点横截面中心与吊臂顶点的水平距离；Hi为未起吊时管道第i吊点横截面中心与吊臂顶点的垂直距离；Vhi为管道第i吊点的水平位移；Vvi为管道第i吊点的竖向位移；Fhi为管道第i吊点的水平吊力分量；Fvi为管道第i吊点的竖向吊力分量。
8.根据权利要求6所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，第i台吊机的承载力条件为公式(2)所示：
式中，Fi为第i台吊机的实际吊力，应包含吊钩或吊篮结构的重量；Li为第i台吊机的实际力臂；Foi为第i台吊机在吊绳垂直状态下的起吊能力；Loi为第i台吊机在吊绳垂直状态下的力臂。
9.根据权利要求6所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，为了避免管道在吊装下沟过程中碰撞管沟沟壁而损伤防腐层，管道各吊点位移应满足公式(3)和公式(4)所示关系：
(a)当Rsinα-Hzd-R≤Vi≤-Hzd时：
(b)当Vi＜Rsinα-Hzd-R时：
式中，d为管沟深度；
B为沟底宽度；
α为管沟边坡与竖向夹角；
R为管道横截面外圆半径；
Hd为管道未起吊时原始中心距离管沟边缘的距离；
Hzd为未起吊时的支墩高度；
Hi为管道第i吊点的水平方向位移，向管沟一侧移动为正；
Vi为管道第i吊点的竖直方向位移，相对于沟上原始位置向上为正。
10.根据权利要求6所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，为了避免管道在吊装下沟过程中碰撞吊机吊臂而损伤防腐层，管道竖向投影位于吊臂竖向投影内部时，应满足公式(5)：
式中，βi为第i台吊机的吊绳与竖向夹角，βi＝f(Ai,Hi,Vi)；
γi为第i台吊机的吊臂与竖向夹角，γi＝g(Ai)；
R为管道横截面半径；
Li为第i台吊机的吊绳长度，即第i台吊机的吊臂顶点至管道第i吊点横截面中心的距离，
Ai为第i台吊机的吊臂外伸幅度；
Hi为管道第i吊点的水平方向位移；
Vi为管道第i吊点的竖直方向位移。
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