熱力耦合作用下直埋熱力管道破裂的有限元分析

金仁虎

（中國聯(lián)合工程公司，浙江杭州310052）

熱力耦合作用下直埋熱力管道破裂的有限元分析

金仁虎

（中國聯(lián)合工程公司，浙江杭州310052）

在運(yùn)輸項(xiàng)目中，管道作為重要的工具，占有重要的地位。通過管道可以運(yùn)輸氣體或液體，能夠進(jìn)行全國乃至世界資源的調(diào)配。在能源運(yùn)輸?shù)倪^程中，管道運(yùn)輸是一種安全、經(jīng)濟(jì)的方式。在社會(huì)的不斷發(fā)展中，土地的占用面積不斷增多，地下管道的使用越來越被重視，因此，管網(wǎng)直埋形式的使用越來越普遍。直埋管道有很多的優(yōu)勢(shì)，但也存在一些問題，主要針對(duì)熱力耦合作用下直埋熱力管道破裂的有限元分析進(jìn)行了探討。

熱力耦合作用；熱力管道；有限元分析；鑄鐵管

1 直埋熱力管道破裂的影響因素

直埋熱力管道的破壞受到很多因素的影響，且在不同的影響作用下導(dǎo)致其特征也不相同。

1.1 管道自身的特性

1.1.1 管道材料

如果使用不同的管道材料，則管道會(huì)具有不同的性質(zhì)，因此，會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)一定的變形問題，一般的管道主要用的是鋼管、鑄鐵管等，不同材料的性質(zhì)大不相同。根據(jù)當(dāng)前物理分析的情況我們可以知道，有的材料具有一定的抗腐蝕性，比如鑄鐵管，但其抗震能力比較差，管體組織疏松。一般的鋼管特點(diǎn)主要有質(zhì)量輕、整體性強(qiáng)，但也具有一定的缺陷，即承受外荷載的穩(wěn)定性較差，不具有一定的耐腐蝕性。總而言之，材料的特點(diǎn)對(duì)于管道破裂的影響非常大，因此，需要注意管道材料方面的問題。

1.1.2 管徑和壁厚

管道的直徑能直接影響管道的抗震能力。壁厚問題也對(duì)抗震能力有所影響，直徑越大，管壁越后，抗震能力就越強(qiáng)。

1.1.3 管道埋深

由于不同地區(qū)的地質(zhì)情況不一樣，因此，在管道埋深的問題上也有很多的不同，一般管道埋置于地下的深度都是有限的，如果埋深越深，則管道的軸向應(yīng)力也就越大，且彎曲應(yīng)力不會(huì)隨著管道埋深的變化而變化。

1.2 流體特性

一般造成管道破裂的原因還包括管道內(nèi)部流體的性質(zhì)，即如果熱力直埋管道內(nèi)的流體溫度產(chǎn)生一定的變化，就會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮的情況，這對(duì)管道的影響較大。

1.3 場(chǎng)地條件影響

埋置管道的地質(zhì)條件對(duì)管道有很大的影響，因?yàn)楣艿朗侵苯勇袢胪寥乐械模虼耍寥乐械母鞣N成分都有可能造成管道的破裂，比如土壤的鹽度、酸度以及一些微生物等都可能對(duì)管道產(chǎn)生一定的影響。

2 直埋熱力管道破裂的有限元分析

2.1 熱力耦合問題

所謂“熱力耦合”，主要是指結(jié)構(gòu)與溫度場(chǎng)之間的關(guān)系和作用。熱力耦合問題在很多的領(lǐng)域中都出現(xiàn)過，比如在一些機(jī)械工程的切削加工以及擠壓成型等問題中。目前人們采用的有限元法還處于初級(jí)階段，特別是因?yàn)槿S變形接觸情況復(fù)雜，實(shí)際模型和網(wǎng)格劃分要求高，儲(chǔ)存量大。但隨著有限元分析軟件ADINA的不斷開發(fā)，可得出很多重要的結(jié)論。目前，ADINA的使用越來越廣泛，在有限元分析軟件的不斷發(fā)展中，其已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)方面，比如材料加工、航空航天、機(jī)械制造、電子電器、生物力學(xué)、能源等領(lǐng)域，ADINA系統(tǒng)基于有限元方法，適用于求解結(jié)構(gòu)、溫度和流體等多領(lǐng)域工程問題的研究。

2.2 有限元建模

在分析管道的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境時(shí)，可采取parasolid建模的方式建立結(jié)構(gòu)模型。一般可采取的尺寸為7 m×10 m×8 m，假設(shè)場(chǎng)地是雙層結(jié)構(gòu)，需要將上、下兩層地質(zhì)分開設(shè)置，下層主要是基石，上層則是土壤，且要注意斷層切斷場(chǎng)地的巖土層情況出現(xiàn)，管道是跨越斷層進(jìn)行鋪設(shè)的。在一般的ADINA建模的過程中，需要注意材料能夠隨著溫度的變化而變化，且需要注意溫度的限定是有一定的標(biāo)準(zhǔn)的。

2.3 參數(shù)選擇與求解控制

根據(jù)實(shí)際情況模擬現(xiàn)狀，所有材料的性能參數(shù)見表1.

2.4 約束和荷載

根據(jù)斷層的情況分析，斷層兩盤的運(yùn)動(dòng)中，一般一盤緊接著另一盤運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，斷層下盤基巖的底部都是固定的。此時(shí)，需要考慮斷層位移以及管道內(nèi)力及重力荷載等問題。斷層位移施加于結(jié)構(gòu)模型之中，沿著斷層傾向，同時(shí)，管道壓力取2 MPa在管道內(nèi)壁進(jìn)行試驗(yàn)，將溫度荷載在熱力模型中施加，在管道內(nèi)壁施加初始溫度約為20℃。

表1 材料性能

2.5 網(wǎng)格劃分以及熱力耦合求解

在計(jì)算的過程中，為了保證過程順利，需要注意熱力模型與結(jié)構(gòu)模型的單元?jiǎng)澐帧⒕W(wǎng)格劃分保持一致，具體的單元參數(shù)如表所示。

表2 單元組參數(shù)

2.6 運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的問題及解決方式

2.6.1 計(jì)算中斷

根據(jù)時(shí)間函數(shù)的設(shè)定，需要注意的是，運(yùn)用ADINA進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致某一步驟的中斷，比如一般會(huì)提示“Out of balance，load too large，using automatic method might help”；在運(yùn)算的過程中，有可能會(huì)造成模型應(yīng)力集中點(diǎn)達(dá)到了極限應(yīng)力，進(jìn)而造成計(jì)算中斷，這種情況下，可以在計(jì)算時(shí)把這一單元設(shè)定為四單元，且將這一單元退出計(jì)算，從而避免計(jì)算中斷的情況。

2.6.2 計(jì)算不收斂

ADINA一般會(huì)提示“No convergence，interation limit teached，using automatic method might help”。當(dāng)提示這一信息時(shí)，就需要注意子步、迭代次數(shù)的設(shè)置，因此，需要注意在analysis option中設(shè)置自動(dòng)選擇時(shí)間步長的選項(xiàng)，或增加迭代的次數(shù)，從而不斷減小步長來解決這一問題。

3 結(jié)束語

管道使用數(shù)量越來越多，管道安全事故頻發(fā)，對(duì)此，我們應(yīng)采取一些措施來應(yīng)對(duì)，特別是在影響直埋熱力管道破裂的各種問題中，需要注意斷層、管道內(nèi)部流體溫度對(duì)管道的影響，因此，筆者提出了2點(diǎn)基本建議：①在管道埋設(shè)時(shí)，需要注意躲避一些斷層區(qū)域，這些區(qū)域易造成管道的變形、破裂。但如果無法避開，則需要注意在管道與斷層交接處進(jìn)行一定的處理，比如可以采取做預(yù)應(yīng)力拱梁的方式，就能減少斷層對(duì)管道的破壞。②需要注意避免因管道內(nèi)部流體的溫度變化而造成的管道破裂，即需要注意管道內(nèi)部溫度升高而產(chǎn)生的問題，我們可以采取一些彈性模量較大的材料，這些材料能夠有效應(yīng)對(duì)管道剪力等問題。這樣可以很好地解決管道問題，并不斷減弱熱力耦合作用對(duì)管道的影響。

［1］洪學(xué)娣，商永鵬.淺析直埋熱力管道泄漏的主要原因［J］.山西建筑，2009（01）.

［2］徐寶平，孫樹林.供熱管道直埋敷設(shè)技術(shù)的探討［J］.煤氣與熱力，1999（02）.

［3］王進(jìn)忠.直埋供熱管網(wǎng)熱脹內(nèi)力計(jì)算［J］.煤氣與熱力，1990（04）.

〔編輯：張思楠〕

TU995.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.120

2095－6835（2017）18－0120－02