导航： >> 安全论文>> 交通安全论文>>正文

车辆载荷碾压作用下管道的安全性测试与分析

文档作者：余红伟倪友伟姚士洪文档来源：中国石油天然气管道局		点击数：	更新时间： 2021年07月13日
下载地址：点击这里	文件大小： 325.18 KB 共4页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共4页]

本文件共4页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：325.18 KB 共4页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：操作系统安全测评及安全测试自动化的研究

上一篇：基于故障注入的安全计算机通信总线测试方…

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

2008
第5期
管
Pipeline
技 术 5 设 各
and Equipment
2008
No．5
车辆载荷碾压作用下管道的安全性测试与分析
余红伟，倪友伟，姚士洪
(中国石油天然气管道局，河北廊坊065000)
摘要：通过对重车碾压的土层压力进行试验，总结计算出了车辆载荷引起土层应力的分布规律，综合土层应力的分布
规律、土层参数和钢材参数，建立了重车碾压对管道应力影响的有限元分析模型，提出了应力在土壤中沿深度方向变化的
计算公式，通过静载和动载分析，计算出了管道安全的最低埋设深度，对埋深大于1．5 m且管道上覆土层均匀密实的管
道，由车辆载荷而导致的管道附加应力与管道强度及管道内气压相比，不会危及管道安全，也不会造成管道的疲劳破坏。
关键词：重车碾压；管道；安全；应力分布
中图分类号：TE88 文献标识码：B 文章编号：1004—9614(2008)05一OOO6—03
Security Test and Analysis of Over Loading
Truck Across Underground Pipeline
YU Hong—wei，NI You·wei，YAO Shi—hong
(China Petroleum Pipeline Bureau，LaI瞎fl柚g 065000，China)
Abstract：The distributing rule of soil s~ess which was aroused by over loading truck was summarized by soil stress testing of
loading truck over passing．Synthesizing the distributing rule of soil s~ess，soil parameter and pipeline material parameter
，
the influ．
ence of over loading truck across to pipeline was analyzed by finite element simulation and the formula of stress following depth in
soil was presented．The safe depth of pipeline was calculated through static an alyzing and cynam ic analyzing．While the burying
depth of pipeline exceeds 1．5 m and cover soil is dense an d uniform，the accessional pipeline stress which is aroused by loading
truck over passing is very little to compare with pipeline material strength，an d can't endanger pipeline safety，and can’t cause pipe—
line fatigue damage．
Key words：over loading truck across；pipeline；safety；stress distribution
1 车辆载荷规律现场测试分析
1．1 测量仪器
CTY一202P型智能振弦测试仪适用于各种单线圈激励式
振弦(钢弦)传感器的数据采集测量，能对各种振弦式传感器、
土压力盒、应变计等进行频率和物理量的测量。
JXY一4型双膜土压力盒适用于各种土体压力测量，具
有稳定性好，不受导线长度影响，适合长期观测等优点。所
有压力盒在使用前都必须标定，测试用压力盒的标定结果见
表1。
表1 JXY一4型土压力盒标定数据(O．3 MPa)
编号 初始频率 零定示数． 编号 始 f
H ·
频
z H 1 ／Hz (Hz 零z M示P a。) · MPa )
2ool 1 337．0 8 51O 20o4 l 319．1 8 137
2oo2 1 367．7 8 245 20o5 l 454．9 8 5O8
20o3 l 318．2 8 155
1．2 测点布置
设置了两个主要测试点，测试点平面布置如图l所示。
考虑到管道的安全，在现场土层调查的基础上，确定在管
道上方布置一个对比压力盒，其余压力盒埋设在距管道6 m的
侧边。根据测试目的，制定压力盒埋设参数见表2。
收稿日期：2008—06—17 收修改稿日期：2008—07—09
图1 现场测试点布置
表2 压力盒埋设深度
2号测点
编号 深度／m 编号 深度／m
2001 O．5 2004 1．0
20o2 2．O 20o5 O．5
2003 1．5
压力盒具体布置如图2所示。
1号测点 - 压力盒
图2 压力盒埋设参数
1．3 土层压力测量
压力盒埋设完成后，为确保压力测量结果与管道上方土层
第5期 余红伟等：车辆载荷碾压作用下管道的安全性测试与分析 !
压力规律的一致性，设置了大于15天的测量间隔期。在间隔
期内，通过车辆的不断碾压，加上雨水作用，压力盒上覆土层参
数已与管线上方土层参数近似。
为研究行车载荷在土层中的传递规律，选择重型和轻型两
种类型的车辆进行测量试验。根据现场的统计，重型拉煤车一
般载重50～80 t(不带挂型)，这里选择80 t三轴拉煤车作为试
验重型车辆，选择10 t作为轻型车辆，重型车辆参数见表3。表
3中，自重、装煤、轴数为车辆参数，其他为轮胎参数。
表3 试验重型车辆参数(80 t)
1．4 压力测量方案
为全面分析车辆载荷在土层中的传递规律，采用了纵横向
联合测试技术方案，即同时测量轮胎纵向和横向土层压力。为
简化双轴双轮组带来的压力叠加效应分析，采用了合力测量分
析方法。测量全部基于车辆静载进行，测量数据分组保存，最
后导入计算机进行分析处理。
1．5 测量结果分析
I．5．1 土层碾压密实对栽荷传递的影响
在压力盒埋设过程中进行上覆土层人工密实，最后采用装
载机进行碾压密实。埋设完成后，进行土层初始压力测量。经
过大于半月的碾压，测点土层参数与管道上覆土层参数接近
时，再次进行土层压力测量，两次的测量结果见表4。
表4 土层压力测试结果 MPa
通过对土层压力测量结果对比分析可以看出，土层密实度
对载荷传递有很大影响，例如无碾压时2005#(载荷点)土层压
力密实前后相差一倍。通过对比，可以得出密实度的影响随深
度增加而减小，这正是车辆碾压土层密实的规律，即表层土受
压载荷大，密实度高。随着时间推移，在外部载荷作用下，加上
土层自身固结作用，上部土层逐渐形成密度递减的板层，而最
上部的密实层正是车辆载荷的承受层。另外，土层压力并非简
单的深度递增规律，它还受到土层结构的影响。但在一定深度
范围内，土层压力与深度的线性关系还是明显的，特别是在没
有形成土层结构的条件下。
1．5．2 车辆载荷纵向传递规律
纵向测量分析主要研究原状土层中载荷的传递特征。这
里针对埋设最深和最浅的2002#(载荷点)和2005#进行分析。
通过分析可以得出，随着车轮作用点距压力盒水平距离的减
小，土层压力逐渐增大，当载荷作用在压力盒正上方时达到最
大值。这与传统的认识是一致的。对比2002#和2005#，发现压
力与距离的关系与深度有关，在深度较浅时(如2005#)，随着距
离增大，压力开始急剧减小，然后逐渐趋缓；在深度较深时(如
2002#)，随着距离增大，压力变化总体平缓。这与纵向土层的
上密下疏结构特征有关，造成载荷上部作用范围小，压力变化
剧烈，下部作用范围大，压力变化平缓。从作用范围看，影响
0．5 m深度范围的车轮距离为30—40 em，影响2．0 m深度范围
的车轮距离为140—160 em．对测量结果进行综合分析，得出纵
向车辆载荷作用范围如图3所示。在0—1．5 m埋深范围内，载
荷近似线性递减；超过1．5 m深度后，递减逐渐趋缓。
图3 车辆载荷扩散特征示意图
1．5．3 车辆载荷横向传递规律
横向测量分析主要研究扰动土层中载荷的传递特征。这
里针对轮载分别作用在2002#和2005#压力盒上方位置时土层
压力进行分析。土层压力测量结果见表5。
表5 土层应力测量结果 MPa
根据车辆载荷在土层中传递的一般规律，通过对2003#和
2004#测量值的回归分析⋯ ，可得应力沿深度方向变化关系式：
重车：P=一0．114 2h+0．259 9 (1)
轻车：p=一0．050 8h+0．111 (2)
式中：P为地层压力，MPa；h为土层深度，m．
根据式(1)，令P=0计算得出h=2．28 In，表示重车载荷作
用的深度范围为0～2．28 m；同理，根据式(2)，令P=0计算得
出h=2．18 m，表示轻车载荷作用的深度范围为0～2．18 m．可
知，重车和轻车载荷对地层的作用深度接近，均小于2．5 m．
比较2002#a-~向和横向距离0．66 m时的测量结果，纵向时
为0．019 2 MPa，横向时为0．029 5 MPa，说明车辆载荷的影响程
度，在扰动地层中大于原状地层，主要原因是扰动地层在回填
过程中人工振捣密实，整体均质性好，载荷传递较集中，而原状
地层由于密实度不同，上部形成硬层结构，导致载荷发生界面
扩散传递。总体而言，横向车辆载荷传递规律与纵向类似，只
是范围边界直线段更长。
根据已有研究成果 ，对于均质密实地层，车辆轮胎作用
在土层中的垂直应力可近似用式(3)进行计算：
一
1 +2 ． 5 ( --2- )
式中： z为土层深度z处车辆附加应力，kPa；p 为轮压，kPa；Z
8 Pipeline Technique and Equipment Sep． 2008
为轮胎作用土层深度，m；D为当量圆直径，m．
取重型车辆轮压P 800 kPa，当量圆直径取标准值D=
0．21 m，则土层垂直应力分布如图4所示，规律与图3近似。由
图4可知，车辆载荷在土层中产生的附加垂直应力在0．5 m深
度处约为0．052 MPa，远小于实测的0．215 MPa，该差异说明土
层结构影响应力分布，同时超载对地层产生的附加应力远大于
正常车辆载荷，这就是超载对道路造成危害的原因。
800
600
菩4【)l】
啮
-H 200
0 0
． 5 1．0 1．5 2．0
深度／In
图4 车辆载荷引起土层应力分布规律
1．5．4 车辆载荷传递规律分析结论
(1)车辆载荷在原状地层和扰动地层的传递规律不完全相
同，主要与地层的密实度和均质性有关；
(2)对于典型重型车辆，车辆载荷对地层的影响深度小于
2．5 m(均质密实地层)，在0．5 m深度地层最大应力为0．215
MPa，1．0 m处最大应力为0．163 2 MPa，1．5 m处最大应力为
0．096 6 MPa，2．0 m处最大应力为0．034 2 MPa．
1．6 土层参数分析
由于管道沿线土层参数变异性很大，因此这里仅对试验场
地土层参数进行分析。考虑到参数的实用性和可靠性，运用数
值反分析方法确定土层参数。数值计算采用岩土工程分析软
件FLAC (V5．0)。土层材料计算采用Mohr—Coulomb模型。
通过计算，最后确定土层参数：密度为1 750 kg／m ；弹性模
量为8．1 MPa；内聚力为8 kPa；内摩擦角为20。；?白松比为0．32。
2 车辆载荷对管道影响的数值计算分析
采用数值计算可对不同工况下车辆载荷对管道的影响进
行有效分析。采用ANSYS进行计算分析。x70钢材参数如下：
壁厚为14．6 mm．夕 径为1 016 mm；屈服强度为485 MPa；抗拉
强度为570 MPa；弹性模量E为209 GPa；泊松比为0．3。
在计算分析时，车辆载荷取远大于实际的数值100 t，且载
荷集中作用在后轴上，这样可分析极端状况下车辆载荷对管道
的影响。另外，管道埋深取值1．0 m，管道内气压为0 MPa．
考虑计算模型的对称性，取计算实体范围的一半进行建
模，计算模型长度20 m，宽度2 m，深度4 m．计算模型及其网格
划分见图5。
分析主要从车辆载荷导致的土层应力和位移两方面进行。
图6为土层垂直应力(局部)的等值云图。从应力计算结果看，
车辆载荷导致的土层应力沿深度方向衰减很快，在管道上侧位
置土层垂直应力约0．027 MPa．图7和图8分别为位移矢量图
和垂直位移等值云图。
从位移计算结果得出，土层表面最大位移约2．5 cm，车辆
载荷导致的管道位移约0．4 mm．
图5 模型及其单元网格划分
图6 垂直方向应力云图(局部)
图7 位移矢量图
图8 垂直位移等值云图(局部)
(下转第42页)
42 Pipeline Technique and Equipment Sep．2008
水平孔段：要及时调节处理剂剂量，适当降低黏度和切力，
提高泥浆的触变性和流动性，保证钻屑顺利返出地面，保证泥
浆的润滑性，减少钻具阻力。
扩孔段：增强泥浆的造壁性的抑制能力，防止孔壁塌陷，防
止缩径。
回拖段：提高泥浆的润滑性，降低摩擦阻力，增强携屑效
果，严格防止“活塞效应”的产生。
4．4．4 泥浆的黏度
根据穿越段地层情况，在钻导向孔阶段，泥浆黏度控制在
60～65 s ；在预扩孔和回拖阶段泥浆黏度提高5～l0 st，即达到
65～70 St；实际使用过程中，泥浆的配比随地层不同而变化，并
选用不同的添加剂。基浆的配制用5％ ～8％ 的预水化膨润土，
再加入添加剂，配出满足要求的泥浆。
4．5 定向钻穿越
4．5．1 钻导向孔
钻导向孔的钻具组合为：牙轮钻头+泥浆马达+无磁钻铤
+钻杆。控向仪表单元总承装在无磁钻铤内并紧固。
把好控向关。在导向孔钻进过程中使用有线控向系统，在
河两岸布置地面信标系统，钻杆内连接的信号线将钻具的位置
反馈到控向室便于司钻随时掌握方向，地面信标系统可以有效
地防止地面及地下管道、钢结构件对钻铤内的控向仪表单元产
生磁场的干扰。
导向孔曲线与设计曲线的偏移量半径不应大于2 m，出土
点沿设计曲线的纵向偏差应不大于穿越长度的1％ ，且不大于
10 m；横向偏差应不大于穿越长度的2％ ，且不大于2 m．
4．5．2 预扩孔
完成导向孔工作后，开始进行分级扩孔，根据该工程实际
情况和水平定向钻穿越施工技术要求，扩孔分三级进行，依次
选用 l8”、 24 、036”的扩孔器。
预扩孔前试喷泥浆，检查扩孔器喷嘴是否畅通，泥浆压力
是否正常。
4．5．3 回拖管线
穿越管段预制完成后，在管端焊上回拖头，同时沿管线中
线挖发送沟(17 000 m×3 m×1．5 m)。
管线下沟前，在管沟内注满水或泥浆，使预制管线漂浮起
来，减少回拖阻力。
管线和钻具的连接：钻杆+(I)36”扩孔器+旋转接头+u型
环+回拖头和管线，总体连接完成一起回拖。
准备工作就绪后开始回拖，回拖时应一次完成，直至成品
管线在钻机侧出土为止。
4．5．4 设备拆除，地貌恢复
最后，拆除相关设备，使地貌恢复到以前状态。
4．6 长江主堤爬越
长江主堤采取爬越的方式，在主堤两侧加设固定墩，开挖
后大堤按原样恢复。
5 结束语
水平定向钻穿越工程是一项高风险的系统工程，对钻机的
穿越能力、钻机的锚固、钻具的选配、导向孔的轨迹、回扩以及泥
浆的配置要求很高。结合理论分析，在施工过程中有效地解决
了控向难度大、泥浆性能要求高、钻杆失稳和回拖过程中所遇到
的技术难题。通过在这次工作中，积累了丰富的工作经验，为以
后工程项目穿越长江奠定了实践基础。此次完成的长江水平定
向钻穿越工程，创造了国内管道首穿长江成功的记录。
作者简介：张穹(I973～)，从事油气储运设计和科研工作。
(上接第8页)
通过数值计算结果可得出如下结论i
(1)对于100t的拉煤重型车，载荷引起的土层应力，在1 m
深度处约0．027 MPa；
(2)计算得出的土层表面位移约2．5 cm，而实际钢管埋设
地经过碾压密实后，在车辆载荷作用下土层位移一般很小；
(3)数值计算结果与现场实测结果存在差异，但规律性一
致。导致差异的主要原因是数值计算采用了均质土层来模拟
实际中的非均质土层；
(4)由于数值计算可对不同土层参数、不同埋设结构和不
同管道参数进行各种工况的快速方便分析，因此在管道安全研
究中具有重要作用。
3 车辆行车动载分析
车辆行驶时，由于车身自身的振动和路面的不平整，车轮
实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动，作用在路面上的
轮载时大时小呈波动形式。车辆动荷载对某一点的作用为
F(t)=P q(t) (4)
式中：P为恒载，大小等于轮压；q(t)为附加动荷载，车辆附加动
荷载对某一点的作用等效为正弦分布荷载。
q(￡)=‰sin。(詈+ ) (5)
式中：g⋯为车辆附加荷载的幅值；T为载荷周期，T=12 L／v；L
为轮胎接触面积半径，一般取15 cm； 为车辆行驶速度。
动荷载系数与路面不平整度和车速有关，路面较平整且车
速不太快时，一般不超过1．3。通过计算可得车辆载荷为
F(t)=p+0．2psin ( ) (6)
』
考虑不利条件，车辆动荷载近似为1．1—1．3倍的静荷载。
对于现场测试结果，对于0．5 m深度最大土层应力乘以1．3，则
最大土层应力为0．28 MPa．
4 结束语
通过现场重型车辆碾压测试以及数值计算分析得出，对埋
深大于1．5 m且管道上覆土层均匀密实的管道，由车辆载荷而
导致的管道附加应力值一般小于0．1 MPa，与管道强度及管道
内气压相比，这一影响是不会危及管道安全的，也不会造成管
道的疲劳破坏。
参考文献：
[1] 周纪芗．实用回归分析方法．上海：上海科学技术出版社，199o．
[2] 王程华．土力学原理．天津：天津大学出版社，1998．
[3] 罗保，李何成，许经纲．高压管道安装技术．管道技术与装备，2001
(4)：5—7．
作者简介：余红伟(1974一)，工程师，硕士研究生，主要从事石油天然气
管道施工技术研究工作。

网友评论 more

交通安全论文最新内容

02-21