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铁路线下输油管道安全性计算分析.doc

铁路线下输油管道安全性计算分析

徐月佳
2019-04-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《铁路线下输油管道安全性计算分析doc》,可适用于工程科技领域

铁路线下输油管道安全性计算分析摘要:在蓟港扩能改造工程项目中为确保铁路线下输油管道的安全采用泡沫轻质土换填软土地基。本文首先利用ANSYS有限元软件对铁路下穿输油管道的受力进行了数值模拟研究然后采用解析方法对管道的受力进行了计算两种计算方法所得结果吻合较好验证了管道在荷载作用下能够安全可靠的工作。关键词:列车及轨道荷载管道有限元简化模型中图分类号:TU  文献标识码:A TheCalculationandSafetyAnalysisofFuelPipelineBeneaththeRailwayGAOYu,LIShaogang,WANGXi,WUHaijiang(ChinaRailwaySixthGroupTianjinRailwayConstructionCo,Ltd,Tianjin)Abstract:IntheJiGangReformProject,inordertoensurethesafetyofthefuelpipelinewhichbeneaththerailway,foamlightsoilwasappliedinthereplacementofsoftsoilThispaperfirstlysimulatesandanalyzestheforceofthefuelpipewhichisbeneaththerailwayThenweuseananalyticalmethodtocalculatetheforceofthepipeTheresultsofthesetwowaysagreewellwitheachother,verifythesafetyofthepipelineKeywords:Trainsandtrackload,Pipeline,finiteelement,simplifiedmodel引言随着经济的发展地上、地下的运输业都蓬勃地发展起来。为了使城市空间简洁美观一般都将输送燃油、燃气、水流等管道埋于地下。位于地下的输送管道将受到其上方传下来的荷载的影响。如果在建设地上工程时不考虑地下管道的安全加载后将有可能造成地下管道的破坏造成燃油、燃气等不能及时输送到所需地点。而且大多输送的物质如燃油一旦暴露于空气中便存在一定的危险性会造成不可估计的损失。在实际工程中应切实考虑到地下构造物的安全性。本文应用ANSYS有限元软件计算管道在列车及轨道荷载和土体自重应力、流体共同作用下的受力情况以分析管道的安全性。并简化管道的受力模型以另一种简便的方法计算管道的受力。两种方法结果显示基于有限元与简化模型计算的结果吻合较好进一步验证了管道的安全性。工程概况蓟港铁路北塘西至东大沽扩能改造工程位于渤海湾西岸天津港附近。线路全线地质条件均为软土地基。为减少既有线变形、确保运营安全地基采用水泥搅拌桩及双向水泥搅拌桩。新建蓟港铁路咸水沽至邓善沽区间路基中心里程DK处下穿一条中航油输油管道管道外径为Φmm。与新建线夹角约°埋深约m。此处路基填高m原设计基底处理为采用m钢筋混凝土盖板箱涵基础为钻孔桩基础上设承台将盖板直接安放在承台上。但由于受周边高压线干扰无法使用探测设备探测出管线准确位置。出于对管道安全的考虑该段不采用桩基础。而传统换填方式工后沉降很大不能保证管线安全。综合实际情况决定采用新型材料泡沫轻质土换填加固该段地基基础。泡沫轻质土换填布置如图所示。现对换填处理后管道的安全进行验算。图泡沫轻质土换填布置图(尺寸单位:m)基于有限元的管道分析有限元模型在流体作用下管道的有限元模型本工程中的管道为中航油输油管道航油为黏性流体黏性流体的流动绝大部分都是属于湍流亦可称为紊流。湍流的流动有着一定的复杂性所以到目前对于其的内在规律都尚未得到一个完整的解决办法。ANSYS软件中的FLOTRANCFD可以解决一系列复杂的流体力学的难题。在此采用ANSYS有限元分析软件模拟管道中流体的运动以得到流体对管道的压力。建立铁路下方管道的ANSYS有限元模型划分出个单元。如图所示。图 生成管道的网格划分结果显示整体受力管道的有限元模型管道采用QB碳素钢查得低碳钢Q的弹性模量E=GPa泊松比ν=许用应力σ=MPa。由于管道直径相对较小故仅取管道上方m×m土柱进行验算。建立ANSYS有限元模型划分出个单元如图、图所示:图 土层网格划分图 管道细部划分有限元计算中所用到的参数一、流体作用下有关参数本工程中管道为碳钢QB的钢管管道直径为mm壁厚取mm。航油成分多为煤油查《工程常用物质的热物理性质手册》可知℃时煤油的动力黏度μ为×Pas密度ρ为kgm。取质量流量qm=kgs则可按式计算出管内液体的速度。二、整体受力有关参数铁路下方的管道必将受到其上方土层的重力作用及轨道和列车荷载的作用。根据《铁路路基设计规范》可将列车及铁路荷载换算成相应高度、相应宽度的土柱。取换算土柱重度γ=kNm则换算土柱高度h为m换算土柱宽度为m。泡沫轻质土是一种新型轻质材料。泡沫轻质土具有轻质性、密度和强度可调节性、良好的施工性、硬化性能好、耐久性好等优点已经被大量应用到实际工程中运用到铁路建设中尚属首次。泡沫土各项参数的计算按《现浇泡沫轻质土技术规程》进行。本工程所使用的泡沫轻质土的各项参数及管道上方土层的参数如表所示:表 泡沫轻质土及各土层参数土层数i厚度hi(m)天然重度γi(kNm)粘聚力Ci(kPa)内摩擦角φi(°)弹性模量Ei(MPa)泊松比νi泡沫土       有限元计算结果流体对管道内壁的作用力假设管道流速进口处均匀并且垂直于进口流场方向向上无速度。选用DFLOTRAN单元在所有壁面上施加无滑移边界条件并且假定流体不可压缩且其性质为恒值。在这种情况下压力就可仅考虑相对值因此在出口处施加的压力边界条件是相对压力为零。分析结果如图所示由图可知管道内壁节点上受压力最大值为Pa。图流体作用于管道内壁节点压力等值图(单位:Pa)管道整体受力分析管道在列车荷载的作用下的受力情况是此次研究的重点。列车荷载经过泡沫轻质土换填层和各土层最种传递到管道外壁上。然而岩土、混凝土和土壤等材料都属于颗粒状材料此类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度且材料受剪时颗粒会膨胀常用的VonMises屈服准则不适合于这种材料。DruckerPrager屈服准则是用于修正VonMises屈服准则即在VonMises表达式中包含一个附加项通过输入DruckerPrager模型参数实现即输入各土层的粘聚力C、内摩擦角φ及膨胀角φf。使用DruckerPrager屈服准则的材料简称为DP材料在岩石、土壤的有限元分析中采用DP材料可得到较为精确的结果。ANSYS有限元模拟结果图所示。由图可知经由泡沫轻质土及各土层传下来的铁道及列车荷载与管道内液体的共同作用下管道的最大应力产生在管道内壁水平方向应力值为×Pa。由图可知管道受力并不均匀但在横截面上的应力值较为平均在×Pa~×Pa之间。可见管道的应力值没有超出许用应力范围没有产生破坏。图管道总体节点VonMises应力细部等值图(单位:Pa)基于简化模型的管道受力分析简化模型概述管道直径D为mm管道壁厚δ为mm。由于管道壁厚远小于其直径(δ≤D)所以可以将其视为薄壁圆管进行计算并且对其受力进行如下简化:()按文献将列车及轨道荷载换算成土柱计算()计算管道上方总体土压力并将其作为均布荷载均匀作用于管道外壁()因壁厚远小于内径d故近似地认为圆管任意截面mm或nn上个点处的正应力相等()管道顺液体流通方向不受压力。简化模型计算结果进行上述简化以后建立管道在列车荷载及流体作用下的简化模型如图(a)所示。(a)    (b)      (c)图管道受力简化模型将列车荷载换算成土柱换算的土柱及各土层对管道上方产生的压应力σc可由下式计算:式中:σc地面下深度z处的竖向有效自重应力kPan深度z范围内的土层总数hi第i层土的厚度mγi第i层土的天然重度kNm。计算可得σc=kPa。薄壁圆管在内压力及外压力作用下要均匀胀大或压缩故在包含圆管轴线的任何径向截面上作用有法向应力FN。取长度b计算有一直径平面将管道剖开研究半管的平衡如图(b)、图(c)所示。则可计算:由平衡方程∑Fy=可求得:可得横截面上的正应力σ″为:对于低碳钢这种索性材料一般而言形状改变能密度理论较为符合试验结果也就是第四强度理论。按第四强度理论进行管道的强度校核如下式计算:取管道上任意微小的单元体如图所示:图 单元体应力分析图管道上任一点处沿径向正应力为σ′=-(p外-p内)=-kPa截面上的正应力σ″=-kPa管道顺液体流通方向不受压力故σ″′=。管道处于应力平衡状态取σ=σ″′=σ=σ′=-kPaσ=σ″=-kPa将σ、σ及σ代入式中算得σr=kPa=MPa。

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