基于ADINA熱力管道破壞預測的研究

張鵬飛，冷玲倻

（江西科技學院 土木工程學院，江西 南昌 330098）

基于ADINA熱力管道破壞預測的研究

張鵬飛，冷玲倻

（江西科技學院 土木工程學院，江西 南昌 330098）

隨著城市現代化進程的加快和地上空間的日益緊張，熱力管道采用直埋的方式越來越普遍。基于ADINA有限元平臺，研究管道特性、管內流體等對直埋熱力管道破壞的影響，建立考慮場地條件、管道特性、熱力耦合、流固耦合等因素的有限元模型，分析管道裂縫擴展過程，并提出防護措施及建議。

熱力管道；流固耦合；熱力耦合；ADINA；破壞預測

0 引言

熱力管道是城市生命線工程的重要組成部分，針對破壞后再檢測的技術已經非常成熟，但這些檢測技術仍不能從源頭上預測和阻止管道的破壞，即不能滿足熱力管道制定防災預案和采取工程措施的需要，在對熱力管道的研究中，國內外專家做了大量的工作，其中理論和試驗研究較多，且由于計算的繁瑣和管道所處的環境非常復雜，這兩種方法不能很好的反應實際情況，因此以直埋熱力管道為研究對象，基于ADINA有限元平臺，研究場地條件、管道特性、管內流體、熱力耦合、流固耦合等因素對直埋熱力管道的影響。

1 工程概況

本文依據管道工作的實際環境，選取的整體結構模型為7m×10m×8m，假設場地為雙層結構，上層為土壤，下層為基巖，并且存在斷層切斷的場地巖土層，管道跨越斷層敷設。管道采用雙線性塑性材料模型，管道上作用的荷載分為靜載和動載兩種。管道和周圍土體的參數如表1所示。

表1 管道及場地環境參數

2 ADNIA模型

2.1 幾何模型建立

首先是單元類型的設定，定義管道為殼單元：shell element，巖土定義為三維實體單元：3D solid element，斷層處不設單元，如果是軟弱夾層時定義為三維實體單元。

設定單元類型后，進而確定材料的屬性，管道彈性模量為2.07×107MPa，泊松比為0.29，密度為7 800 kg/m3，巖土分層情況為：上層為砂粘土，中間為中砂，下層為石灰巖。巖土的材料屬性如表2所示。

表2 巖土材料參數

定義好單元類型和材料屬性后，考慮場地和斷層影響的建模方法為：采用ADINA-M菜單下的Parasolid建立幾何模型，用切片Sheet和體修改器Body Modifier對幾何體進行修飾，切片用來切出斷層的位置，體修改器Body Modifier用于將斷層與土層分開。最后通過ADINA中布爾操作Boolean Operator實現各管道與土體和斷層之間的融合。

流固耦合考慮的是管道和流體之間的耦合，ADINA需要分別建立流體模型和固體模型，然后選定流固耦合相互作用（Fluid Structure Interaction）選項來考慮流固耦合。

熱力耦合作用下管道破壞分析的數值模型需要建立幾何尺寸、單元類型、網格劃分相同的結構模型和熱力模型，設定材料是隨溫度可變，通過選擇Conctrol中的Miscellaneous File I/O，把Temaperature設置為Date Read from File進行設定，最后通過ADINATMC把結構模型與熱力模型結合起來計算，從而達到熱力耦合的效果，建立好的幾何模型如圖1所示。

圖1 幾何模型

2.2 施加邊界條件及荷載

邊界條件的設定要根據斷層的類型來確定，可假定斷層一盤不動，另一盤相對該盤運動，可將不動盤固定，故約束加在斷層不動一層的地面。作用在模型上的荷載類型見表3所示，重力荷載直接加到整個模型上，方向豎直向下，位移荷載加到上盤巖石上，方向沿斷層傾角斜向下，對于地震荷載是把集中力作用到上盤巖石上，進而使其帶動上盤土體運動，導致管道破壞。

表3 作用于管道上的荷載參數

2.3 網格劃分

在進行網格劃分之前需要先定義幾何模型的單元組，然后定義同一單元中不同體的網格密度，最后定義網格節點生成網格。本文的幾何模型按長度進行劃分，管道選用8節點單元，土體選用4節點。網格劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分

2.4 求解結果

模型結果的處理都是基于管道的應力應變等情況來進行分析的，即所有的結果分析都是針對管道上點或整體進行分析。結果分析所選用的具體情況如表4所示。

表4 結果選取

3 結果分析

本文的基本模型參數為：管徑0.4m，壁厚為0.012m埋深為2m，流體采用4℃的水，流速為10m/min。并且規定應力與應變：受拉為正，受壓為負。

3.1 管道特性影響分析

管土特性分析時采用的為基本模型參數，不同的是管道的埋深還考慮了1m，3m，4m的影響，圖5為管道埋深分別為1m，2m，3m，4m時的模型進行計算所得由圖5（a）可以得出：隨著管道埋深加深管道的剪應力基本呈增長趨勢，由（b）可以分析出埋深越深管道在跨越斷層時破壞越嚴重，故管道在穿越斷層時應盡量淺埋。

圖5 不同埋深下管道的應力應變

3.2 熱力耦合作用下的管道破壞分析

熱力耦合作用分析時采用的為基本模型參數，熱力耦合模型把管內熱媒介質看成熱源，熱源的溫度均為120℃，該模型分別考慮了靜荷載（重力）和動荷載（線性位移荷載、地震荷載）下管道的最大點應力和應變的時程曲線。從圖6（a）、（b）中可以分析得出熱力耦合作用對管道的軸向應力值影響較大，與不考慮溫度相比，應力值有數量級上的變化。考慮熱力耦合作用時管道的軸向應變呈線性增長，說明管道軸向應變破壞主要是由熱敏材料受熱膨脹引起的。

由圖6（c）、（d）可以分析得出：在動荷載作用下，考慮熱力耦合作用不會對管道應力值有太大的影響，因此管道的破壞主要是由動荷載作用引起的應力集中導致的。動荷載作用下的軸向應變值隨溫度的增大，應變值也有數量級上的變化。

3.3 流固耦合作用下的管道破壞分析

流固耦合作用分析時采用的為基本模型參數，模型采用的流體為4℃的水，流速分別為10m/min，30m/min，50m/min，100m/min。圖7為在靜力荷載下(重力)流體流速對管道軸向應力、軸向應變和環向應力、環向應變的影響，由圖可以分析得出隨著流速的增大，管道的應力應變呈增長趨勢，故流速越大，管道越容易產生應力集中對管道越不利。

4 結論

管土之間的摩擦力在管道破壞中起主要作用，可以通過改善場地土與管道間的摩擦系數來提高管道抗破壞的能力。

圖6 熱力耦合作用下管道的應力應變

圖7 流體流速對管道應力應變的影響

考慮溫度時，對管道的軸向和環向應力應變影響較大，因此可以通過布置管道軸向補償器來減少溫度引起的軸向破壞。

隨著流體流速的加快，管道受壓力越大破壞越嚴重，故盡量降低管內流體的流速。

[1]L.Clapham,V.Babbar,James Byrne.Detection of mechanical damage using the magnetic flux leakage technique.The 16th WCNDT,2004.

[2]陳貴紅.沉管隧道抗震數值分析[D].成都,西南交通大學,2002:25-26.

[3]弓培林,靳鐘銘.大采高采場覆巖結構特征及運動規律研究[J].煤炭學報,2004,29(1):7-11.

[4]長春地質學院工程地質教研室.工程巖土學[M].北京:地質出版社,1980.

（責任編輯：陳 輝）

Research on Heat Pipeline Failure Prediction Based on ADINA

ZHANG Peng-feiLENG Ling-ye
(Jiang Xi University of Technology,Nanchang 330098,China)

With the development of city modernization,the space above ground is becoming increasingly limited,thus burying heat pipeline directly becomes more and more common.Based on the platform of ADINA finite element method,this articles studies the influence of the characteristics of pipe and tube fluid on the damage of buried heating pipeline,establishes the finite element model in terms of the factors of site conditions,pipeline characteristics,thermal coupling,fluid-structure coupling etc,analyzes the expanding process of pipeline crack and puts forward the protection measures and suggestions.

heating pipeline,fluid-structure interaction,thermal coupling,ADINA,damage prediction

TU11

A

123（2014）03-0034-04

2013-11-25

張鵬飛（1986-），男，河北省鹿泉人，江西科技學院，碩士。研究方向：結構工程和防震減災。

江西科技學院自然科學基金項目“CFRP加固銹蝕鋼筋混凝土柱恢復力模型研究”（NO.ZR13YB10）。