韓桂武1 熊健2 茹志敏1

1.中國石油天然氣管道工程有限公司；2.國家管網集團工程技術創新有限公司 

摘要：針對隧道內的油氣管道嚴重位移、管箍變形和螺栓脫落等情況進行計算分析。根據管道安裝的工況采用有限元計算方法，考慮內壓、溫差、水浮力荷載和管箍約束等因素以及充水運營、抽水檢查和再次充水三種工況，對管道不同工況進行模擬計算。計算結果顯示雖然管道處于安全的應力狀態，但是彎頭附近的支座螺栓出現應力超標的情況。數值模擬計算結果解釋了問題出現的原因，并依此提出了管道支座修復的建議。

關鍵詞：在役管道；鉆爆隧道；有限元分析；管道應力；管道支座

管道以隧道穿越方式穿越大型河流，如忠武線汨羅江隧道、西一線延水關黃河隧道、西二線中衛黃河隧道等，因隧道襯砌隔水性差，漏水較嚴重，通常都采用充水方式運營。根據SY/T 6068―2014《油氣管道架空部分及其附屬設施維護保養規程》總則規定：II～III等養護的架空工程結構定期檢測宜為6～10年。在2019年，將西二線某水下隧道進行抽水并進行結構性檢查，發現大量的管道支架變形、螺栓失效的問題。

1  工程概況

西二線某大型河流穿越隧道采用“斜巷+平巷+斜巷”的穿越形式，西岸斜巷設計傾角25°，長為310 m；平巷段長434.8 m；東岸斜巷設計傾角20°，長453 m。隧道水平長1141 m，總長1197.8  m。隧道穿越地層主要為寒武系香山群磨盤井組淺變質灰綠色長石石英砂巖、千牧狀板巖和絹云母化千牧巖。穿越圍巖級別劃分為Ⅳ～Ⅴ級，其中Ⅳ級圍巖段位于隧道中段，水平長886.70 m，斜長918 m；Ⅴ級圍巖段位于隧道進出口段，其中西側進口段水平長183.6 m，斜長202 m，東側出口段水平長71.10 m，斜長76 m。

隧道斷面形狀考慮圍巖物理力學特性、地應力大小及方向，根據不同的圍巖級別分段采取不同的襯砌結構。由于該隧道為巖質隧道，遵循新奧法（NATM）原則，采用鉆爆法施工，盡量利用圍巖的自承能力，隧道內平巷段斷面和斜巷段圍巖采用直墻圓弧拱形，凈寬4.50 m，拱高2.25 m。由于巖體裂隙發育且承水高壓，隧道總用水量可達到720 m3/d～900 m3/d，施工過程中采取了水泥、水玻璃雙液注漿封堵裂隙水的方法。

隧道內采用雙管敷設。主管道D1219 mm，壁厚26.4 mm，管材為X80直縫埋弧焊鋼管，熱煨彎管段壁厚為33 mm。設計壓力為12 MPa，夏季運行壓力8 MPa～9 MPa，冬季運行壓力9 MPa～11 MPa，運行溫度為40℃左右；備用管道D1016 mm，尚未運營。以主管道作為研究對象，根據現場調研并結合竣工資料，確定輸氣管道實際設置固定墩4個，隧道外兩側和隧道內斜巷段各1個。隧道內支墩67個，支墩采用不銹鋼材質，支墩間距約16 m～18 m不等（圖 1）。

圖 1 西二線某隧道內管道安裝縱斷面

錨固墩、支墩均采用C25混凝土現澆，鋼筋保護層為40 mm。管箍為不銹鋼材質，熱鍍鋅。錨栓材質為Q235Az，采用雙螺帽，螺栓露頭100 mm，下部為爪式，均鍍鋅，錨固在基巖內的長度不小于1000 mm，每個管箍由兩個螺栓與支墩固定，每個螺栓受拉承載力不小于26.9 kN，螺栓孔為Φ80 mm。

2  管箍失效情況

抽水完成后，檢測人員在隧道共發現28處管道支座上的管箍出現不同程度的變形、螺栓脫落等失效問題，其中西側進口段的靠近隧道洞口的支墩變形最大（圖 2）。該段多處管箍出現明顯向洞內傾斜變形的特征，造成了管箍螺栓脫落、彎曲或崩斷，說明管道在安裝之后出現非常大的位移，由于管箍的約束而產生了強烈的相互作用，導致多個螺栓彎曲或崩斷等情況。統計發現靠近錨固墩位置的管箍未損壞，隨著離錨固墩距離的增加，損壞管箍數量也相應增加，說明錨固墩對管道起到一定固定作用。根據支座翹起的情況可以判斷管道的變形量非常大，可達30 cm～50 cm。

圖 2 隧道西側進口處彎頭附近管箍失效

3  應力分析

采用初步理論分析和有限元仿真技術相結合的方式，利用ANSYS軟件對管道在充水、抽水和再次充水三種工況進行分析計算[1-2]。

3.1  隧道充水運營工況

正常運行工況下隧道內充水，此時管道處于漂浮的狀態，通過核算，管道漂浮力大于管道的自重力，兩力方向相反，合力向上，約為0.5倍的管道重力。計算過程首先要對管道的整體應力狀態進行校核，還要對整體支座的受力狀態進行核算。由于管道變形和管箍失效突出表現在西側井口位置，因此著重對該處管道應力分析計算（圖 3）。

圖 3 西側井口附近段管道應力分布

管道應力校核。西側井口上段的管道受端頭效應和熱脹效應影響，位移最大處位于中間彎頭處，最大值為46.5 mm，管道整體有向彎頭擠壓的趨勢；由于彎頭具有一定的補償作用，管道最大組合應力值相應減小，為365 MPa，小于管道允許的極限組合應力499 MPa。因此，管道在操作工況下受力處于安全狀態。

支座約束力和螺栓強度校核。根據上述有限元計算結果，提取模型關鍵節點號得到對應的錨固墩及支座的約束力。其中力的方向規定，橫向作用力沿著X軸正向為正，豎向作用力沿著Y軸正向為正。除了錨固墩對管道提供的約束力之外，在彎頭附近的2～3個支墩范圍內同樣給管道提供了非常大的約束力。支座提供的外力，既有豎向向上的力也有向下的力。根據支座的特點，支座向上的力由支座底部的混凝土基座提供，支座向下的力由鋼螺栓傳遞至底板提供。由于錨固墩體積較大，可以穩固地約束管道，本文不再考慮錨固墩的約束力和結構的校核。對于支墩而言，體積較小，且兩側僅有兩條不銹鋼管箍和4個Φ18 mm螺栓固定。參考《鋼結構設計規范》確定Q235螺栓的抗拉強度取值140 N/mm2，抗剪強度可取70 N/mm2進行計算。

當4個Q235級的螺栓起作用時，螺栓最大提供的拉力為1.42×105 N的力。14號節點提供拉力值為2.8×106 N、50號節點提供拉力值為8.6×105 N 、74號節點提供拉力值為1.1×105 N，三個值均大于或者接近螺栓最大提供的拉力（表 1），因此該節點處的管道支座螺栓不能確保處于安全的狀態。這也就解釋了為什么在管道彎頭附近，管道出現了大的變形并帶動了管箍的變形或破壞。

表 1 西側井口支墩提供的外力值

當混凝土基座提供向上支撐力時，可提供的最大支撐力為4.52×107 N，大于2號節點7.3×105 N的混凝土基座提供最大的支撐力，說明基座混凝土的強度可以滿足要求。

3.2  隧道抽水檢查工況

抽凈隧道內部水，管道承受浮力消失，管道支座多數提供管道自重，但是在彎頭附近仍然出現大的位移和應力集中現象，從整體的管道應力分布來看，隧道內部的四個彎頭處都是位移集中和應力集中的位置，其中西側下部彎頭應力值最大為491 MPa，但仍小于規范允許的管道極限應力值。

3.3  隧道再次充水工況

管道和支座修復后，需重新充水運營，管道重新漂浮于水中，由于支座的約束作用，避免管道漂浮水面上方與隧道內壁發生碰撞。本工況與上一工況的區別在于水浮力的作用，其他的內壓、溫度及約束狀態基本不變。

管道產生最大22.1 MPa的附加應力，同時產生2.4 mm最大的位移量。管道支墩的螺栓受力最小為4.97×104 N，最大為9.97×104 N，均小于4個Q235級的Φ18 mm螺栓起作用情況下，螺栓14.2×104 N的拉力極限值。可見僅是浮力發生變化，管道在螺栓作用下是可以保證安全運作的。

4  計算結果分析

通過對隧道內充水運營、抽水檢修和重新充水運營的三個階段的管道應力和支座約束反力的模擬計算，可以得出如下分析結論。

在三種不同工況下的管道應力校核都是安全的，即管道都處于安全的運營狀態；在充水運營階段，管道受到內壓、溫差、自重和水浮力、支座約束等綜合作用，表現為在彎頭處管道產生較大的位移，從而引起上下游2～3個約束支座發生連帶變形；數值模擬計算表明彎頭上下游管道受力不均，出現較大的應力集中，通過應力校核發現支座的螺栓出現應力超載失效情況；鑒于管道位移是一種自適應的應力釋放行為，支座維修過程中保留管道現有的位移狀態，在此基礎上校核隧道重新充水的工況，表明支座螺栓不會超標，能夠正常承擔對管道的約束作用。

5  管道支座修復建議

根據以上應力分析計算結果，在保持管道原有的變形狀態、通過其自適應能力緩解應力集中問題基礎上，建議支座與管道墊層間距保持10 mm～15 mm間隙，給予管道后期一定自適應能力；采用8.8級高強度螺栓，設計強度400 MPa，螺栓直徑為24 mm，若螺栓長度足夠長，建議每個螺栓上安裝2個螺母，且螺栓頭應該高出螺母2 mm以上；管箍與管道之間采用4 mm橡膠板墊層，墊板長度2.5 m且內側與管道外層粘接，保證橡膠板不發生滑移；植入螺栓需進行拉拔試驗，拉拔力不小于20 tf，破壞性拉拔力實驗可以在管道附近增加布置螺栓作為檢測強度應用。

參考文獻：

[1]唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2009.

[2]趙麗京.石油化工管道設計應力分析基礎上的柔性設計[J].化工管理，2015，(26)：55-56.

作者簡介：韓桂武，工學博士，高級工程師，主要從事管道應力分析及巖土工程、地下儲油庫工程設計及研究工作。聯系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。