跨斷層埋地熱力管道應力與應變數值模擬

摘 要

摘　要：針對跨斷層埋地熱力管道，建立模型，采用ADINA有限元平臺對埋地熱力管道的應力、應變進行數值模擬，對提高跨斷層埋地熱力管道安全性的措施進行了探討。關鍵詞：埋地熱力管道；

摘　要：針對跨斷層埋地熱力管道，建立模型，采用ADINA有限元平臺對埋地熱力管道的應力、應變進行數值模擬，對提高跨斷層埋地熱力管道安全性的措施進行了探討。

關鍵詞：埋地熱力管道；  斷層；  應力；  應變；  有限元模擬

Numerical Simulation of Stress and Strain of Buried Heating Pipeline across Fault

Abstract：The model for buried heating pipeline across the fault is built．The numerical simulation of the stress and strain of buried heating pipeline is performed by ADINA finite element platform．The measures for increasing the safety of buried heating pipeline across the fault are discussed．

Keywords：buried heating pipeline；fault；stress；strain；finite element simulation

 

埋地熱力管道是城市基礎設施的重要組成部分，在地震等自然災害荷載下的破壞評價，是防震減災及救援的基礎[1]。本文采用ADINA有限元平臺，對跨斷層埋地熱力管道應力與應變數值模擬，并對提高跨斷層埋地熱力管道安全性的措施進行探討。

1　模型建立

選取土體模型的寬×長×深為7m×10m×8m，設定土體為雙層結構(上層為土壤，下層為巖石)，且存在斷層，管道跨越斷層敷設，斷層與管道夾角為45°。管道采用雙線性塑性材料模型，施加在模型上荷載分別考慮靜荷載、動荷載，靜荷載為重力荷載，動荷載包括位移荷載、地震力。重力荷載為整個模型的重力，方向為垂直向下；位移荷載取5×106N，方向為沿斷層走向；地震力取200N，方向為沿斷層走向。管道壁厚為12mm，外直徑為400mm，管中心埋深為2m。斷層間距為0.2m，錯動距離為0.5m，管體與巖土的摩擦系數取0.4。

設定單元類型：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。設定材料屬性：a．鋼材彈性模量為2.07×105MPa，泊松比為0.29，密度為7800kg／m3。b．巖土分層情況為：上層為砂黏土，下層為石灰巖，將巖土的特性參數輸入ADINA，管道位于砂黏土層。單元類型、材料屬性完成設定后，采用ADINA-M選單下的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Sheet用于切出斷層，體修改器Body Moditier用于將斷層與巖土分開。最后通過ADINA中的布爾操作(Boolean Operator)實現管道與巖土、斷層之間的融合。

斷層是土體之發生相對位移的破裂面，斷盤指斷層兩側的巖土，位于斷層之上的稱為上盤，斷層之下的稱為下盤。將斷層運動考慮為其中一盤相對靜止，另一盤相對該盤運動，將約束加在相對不動的一盤上。設定上盤為運動盤，下盤為相對靜止盤。重力荷載直接加到整個模型上，方向垂直向下；位移荷載加到上盤，方向沿斷層傾角斜向下；地震力集中作用到上盤。模型網格劃分結果見圖1，管道選用8節點網格，土體選用4節點網格。

 

熱力耦合是指溫度場與結構之間的相互影響和相互作用。基于埋地熱力管道自身的特殊性，綜合考慮管土相互作用以及熱力耦合作用，使兩種作用融合到一起，并考慮管材、地質條件以及周圍環境的影響。應用ADINA-Structures建立結構模型，應用ADINA-Thermal建立熱力模型。運用TMC熱力耦合分析求解器進行熱力耦合計算，對埋地熱力管道變形結果進行分析，調整參數，對不同參數模擬結果進行分析。

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

2　模擬結果及分析

模擬結果分析中的名稱及指代含義見表1。埋地管道內水流速為10m／min。

 

①管道與土體摩擦力

模型只受重力荷載作用時，無論是否考慮管道與巖土之間的摩擦力，管道軸向應力、軸向應變基本保持不變，考慮管道與巖土之間的摩擦力時管道軸向應力、軸向應變明顯下降，這說明管道與巖土之間的摩擦力可減小管道的軸向應力、軸向應變。模型只受地震力作用時，當地震力較小時，管道與土體的摩擦力對管道起控制作用；當地震力突破摩擦力控制時，摩擦力可削弱管道的軸向應力、軸向應變。

②管道埋深

其他條件不變，分別對管中心埋深分別為l、2、3、4m時的剪應力進行模擬。由模擬結果可知，隨著管中心埋深增大，管道的剪應力基本呈增長趨勢。這說明管道埋深越大，管道在跨越斷層時越容易被破壞，因此管道在穿越斷層時應盡量淺埋。

③熱力耦合作用下的管道破壞分析

熱力耦合模型將管內介質視為熱源，熱源溫度為120℃。熱力耦合模型分別模擬靜荷載(重力荷載)、動荷載(位移荷載、地震力)下管道的軸向應力、應變。當只考慮靜荷載時，熱力耦合(即考慮溫度影響)作用對管道的軸向應力、應變影響較大，與不考慮溫度相比，軸向應力、應變有大幅提高。這說明管道軸向破壞應變主要是由材料受熱膨脹引起的。當只考慮動荷載時，熱力耦合作用下管道軸向應力增長比環向應力增長快。

④流固耦合作用下的管道破壞分析

其他條件不變，水流速分別取10、30、50、100m／min。當只存在重力荷載時，隨著流速增大，管道軸向應力、環向應力、軸向應變、環向應變均呈增大趨勢。因此，流速越高對管道越不利。

3　提高安全性的措施

①管土之間的摩擦力在抗管道破壞中起主要作用，可以通過提高巖土與管道間的摩擦力來提高管道抗破壞的能力。

②考慮溫度時，對管道的軸向應力影響較大，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。

③管道應力水平與水流速基本成正相關關系，因此應合理控制管內水流速。

 

參考文獻：

[1]段潔儀，劉艽，陸景慧．供熱管網地震破壞等級劃分探討[J]．煤氣與熱力，2013，33(1)：A18-A20．

 

本文作者：張衛忠

作者單位：唐山市熱力總公司