葉海斌 王鈺 王京京 楊奎

西部管道獨(dú)山子輸油氣分公司

摘要：針對隧道內(nèi)埋地油氣管道搶修特點(diǎn)，綜合常用龍門架的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)了一種針對性較強(qiáng)的隧道專用小型龍門架。利用ABAQUS有限元設(shè)計(jì)軟件建立3D模型并對變形進(jìn)行分析，分別從靜態(tài)和動態(tài)兩個(gè)方面分析了龍門架受力情況，將其與模擬結(jié)果進(jìn)行比較由此得到設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。制作的龍門架經(jīng)用于應(yīng)急演練表明可以滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：隧道埋地管道；應(yīng)急搶修；龍門架；有限元設(shè)計(jì)

 

西二、三線果子溝隧道群位于新疆西天山，其中果子溝段隧道穿越工程是整個(gè)西北能源動脈的咽喉。山區(qū)地勢險(xiǎn)峻，地質(zhì)條件特殊，氣象條件惡劣，平均海拔1800 m～3000 m。該管段是地形最為復(fù)雜的管段之一，長約30 km，管道沿河谷敷設(shè)，經(jīng)過的大部分地段溝谷彎曲，局部采用隧道方式穿越山體隧道7條，累計(jì)長度約6200 m。西二、三線天然氣管道在隧道內(nèi)并排埋地敷設(shè)，作業(yè)空間狹小位置受限，周邊道路通行條件差，不具備大型搶修設(shè)備機(jī)具作業(yè)條件。隧道內(nèi)管道泄漏搶修一直是困擾行業(yè)的最大難題之一，國內(nèi)沒有成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒，給應(yīng)急維搶修工作提出了巨大挑戰(zhàn)。

1  前期調(diào)研分析

為解決隧道內(nèi)管材、機(jī)具運(yùn)輸和組對焊接問題，首先對果子溝內(nèi)伴行道路通行條件實(shí)地調(diào)研，制定演練搶修車輛的行進(jìn)路線。再依據(jù)果子溝隧道設(shè)計(jì)文件，現(xiàn)場實(shí)際測量隧道長度、寬度、坡度等工程尺寸及隧道內(nèi)部地面情況。對吊裝設(shè)施設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，現(xiàn)有成熟產(chǎn)品包括簡易龍門架使用起來較為笨重不夠靈活，影響隧道現(xiàn)場作業(yè)。為此需要研制一種快速安裝、靈活輕便、操作簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的隧道內(nèi)專用龍門架吊具。

2  龍門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道內(nèi)空間環(huán)境和管道搶險(xiǎn)使用要求，計(jì)劃設(shè)計(jì)一種集行走、上下垂直起吊、具有一定載重能力于一體的軌道式龍門架。

2.1  主體結(jié)構(gòu)

隧道專用龍門架主體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。在吊架底部分別安裝四組滑輪，每組滑輪承重2 t，在工字鋼軌道上可靈活移動，軌道兩側(cè)通過三個(gè)方形槽鋼框架固定，同時(shí)在吊架頂部焊接工字鋼橫梁支撐架。

圖 1 隧道專用龍門架主體結(jié)構(gòu)圖

2.2  主要參數(shù)

龍門架設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括基礎(chǔ)參數(shù)和工藝參數(shù)兩部分。基礎(chǔ)參數(shù)通過實(shí)地測量作業(yè)面、搬運(yùn)及起吊物資的額定值確定。工藝參數(shù)通過測量需起吊的仿真模具重量、高度、載重等確定[1]，如表 1所示。

表 1 隧道專用龍門架基礎(chǔ)參數(shù)及工藝參數(shù)

2.3  龍門架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

龍門架主體結(jié)構(gòu)由100 mm×48 mm槽鋼焊接而成，其手拉葫蘆所在橫梁及主體結(jié)構(gòu)下方的導(dǎo)軌采用160 mm×88 mm工字鋼，導(dǎo)軌與固定底座用螺栓連接。根據(jù)型鋼尺寸得知龍門架骨架基本截面參數(shù)如表 2所示。其中槽鋼構(gòu)成龍門架的主體結(jié)構(gòu)，工字鋼為龍門架提供移動導(dǎo)軌和承重作用。

表 2 龍門架骨架截面幾何參數(shù)

2.4  梁的方向

如圖 2所示，精確設(shè)計(jì)梁的擺放位置需要確定梁截面的三個(gè)方向，  其中n1、n2代表梁的橫截面位置， t代表梁的軸線方向。

圖 2 梁截面方向示意圖

針對龍門架結(jié)構(gòu)建立3D梁結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)表 2幾何參數(shù)賦予龍門架結(jié)構(gòu)的截面屬性，建立龍門架3D幾何模型[2]，如圖 3所示。

圖 3 龍門架幾何模型圖

2.5  載荷及邊界條件

龍門架工作載荷主要為手拉葫蘆拉升重物。將該載荷簡化為集中載荷，手拉葫蘆移動工況，集中載荷位置主要在橫梁邊緣和橫梁中心變化。

龍門架四根豎直槽鋼與滾輪焊接并在固定導(dǎo)軌上移動，考慮龍門架底座邊界約束。對圖 3所示幾何模型施加載荷和邊界約束，得到如圖 4所示龍門架3D有限元模型，均由中心載荷和邊緣載荷構(gòu)成。

圖 4 龍門架載荷及邊界約束示意圖

2.6  許用載荷計(jì)算

槽鋼或工字梁的常用材料為Q235，其許用應(yīng)力一般為屈服強(qiáng)度的一半，通常取115 MPa。由于有限元模型中集中載荷均為單位載荷（t，下同）[3]，故許用應(yīng)力與當(dāng)前計(jì)算的截面最大應(yīng)力的比值即為龍門架能安全承受的載荷，如表 3所示。

表 3 單位載荷龍門架截面應(yīng)力及其分布

2.7  龍門架承載分析

中心載荷作用下，工字梁中心承受彎矩最大時(shí)其截面最大應(yīng)力為22.23 MPa；側(cè)面橫梁中心最大截面應(yīng)力為24.80+8.91=33.71 MPa；邊緣載荷作用下，工字梁不承受載荷，此時(shí)側(cè)面橫梁中心受到彎矩最大，對應(yīng)的最大截面應(yīng)力為4.04+24.60=28.64 MPa。龍門架承受的最大安全載荷為115/33.71=3.41 t。

2.8  設(shè)計(jì)要點(diǎn)

龍門架主要應(yīng)力點(diǎn)位于與工字梁兩端連接的側(cè)面槽鋼中心部位，其承受的最大安全載荷為3.41 t。由于該處結(jié)構(gòu)采用100 mm×48 mm槽鋼焊接而成，若將其換為126 mm×53 mm槽鋼，將能提高龍門架承載能力。

3  龍門架應(yīng)用

（1）設(shè)計(jì)制作的龍門架如圖 5所示，主體尺寸為12.0 m×1.5 m×2.4 m，經(jīng)測算滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求。

圖 5 龍門架設(shè)計(jì)效果

（2）實(shí)測4人、20分鐘完成一套龍門架安裝，滿足30分鐘目標(biāo)值要求。

（3）熟練掌握吊裝方法后， 15分鐘即可完成物資吊裝和軌道滑行至指定位置。

（4）2021年9月，該龍門架在果子溝隧道天然氣泄漏應(yīng)急演練中應(yīng)用，圖 6為龍門架安裝與使用現(xiàn)場。

圖 6 龍門架現(xiàn)場安裝應(yīng)用

4  結(jié)語

移動式龍門架根據(jù)隧道內(nèi)管道搶險(xiǎn)實(shí)際情況自主設(shè)計(jì)制作，組裝簡便，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作靈活，吊物起吊高度較高，有效減輕了作業(yè)人員勞動強(qiáng)度。為了保證龍門架工作可靠性和安全性，設(shè)計(jì)初期選材和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定較為保守。為減少耗材、提高工作效率，需對龍門架結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，如改進(jìn)槽鋼、角鋼和工字鋼的側(cè)邊傾角，采用電動葫蘆起吊以便更加安全高效。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]濮良貴，陳定國，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2013：41-46.

[2]肖黎明.Pro/E零件設(shè)計(jì)完全解析[M].北京：中國鐵道出版社，2011：103-107.

[3]徐格寧，杜蜀，李聚軒，等.龍門吊機(jī)門架結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，1997(1)：8-11.

 

作者簡介：葉海斌，1983年生，工程師，畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，本科，現(xiàn)任獨(dú)山子維搶修中心副主任，從事管道維搶修相關(guān)工作。聯(lián)系方式：15299299956，yhb111@163.com。