热力耦合作用下直埋热力管道破裂的有限元分析

何硕,陈艳华,朱庆杰

(河北联合大学建筑工程学院,河北唐山063000)

热力耦合作用在实际工程中广泛存在,例如热力机械,稠油热采,热力管道等。热力管网作为城市生命线工程的重要组成之一,其在热力耦合作用下的破裂及泄露直接影响着人们的日常生活。热力管道有多种敷设方式,其中直埋敷设具有占地面积少,施工周期短,维护量小,热损失少的优点。随着城市化进程的加快,作为供热节能的有效措施之一,热力管网直埋形式的采用越来越广泛,同时它的破裂机理也越来越得到研究人员的关注[1-4]。

由于管道自身特征、流体特征、场地条件、施工质量等多方面因素的影响[5],使得综合考虑多种影响因素开展热力管道的破裂预测成为今后研究的一大趋势。从查阅的文献来看,国内外对直埋热力管道破坏情况已做了大量的研究,但考虑断层和热力耦合这两个因素的并不多。本课题将运用ADINA软件,着重分析断层和热力耦合作用对直埋热力管道破裂的影响,为预防管道破坏及破坏后的损失评估提供依据。

1 有限元建模

1.1 结构模型

依据管道工作的实际环境,采用parasolid建模的方法建立结构模型。研究的整体结构模型选取7m ×10m×8m,假设场地为双层结构,上层为土壤,下层为基岩,同时有断层切断场地岩土层,管道跨越断层敷设。于是得到几何模型如图1所示:

在ADINA模型中的材料必须是随温度可变的,此外温度的限定必须是来源于文件。通过选择control→M iscellaneous File I/O,把“Temperature”设置为“Date Read from File”进行设定。

1.2 热力模型

图1 几何模型

热力几何模型必须与结构几何模型保持高度一致,并保证网格划分和单元组的一致性,即点击M eshing按钮,选择“Copy F.E.M odel…”选项,选择“Copy F.E.Model from ADINA Strcutures to ADINA Thermal Model”,将整个模型拷贝到热力模型中,得到热力模型的几何模型,并赋予模型各项材料性能。将热力模型的分析类型设为瞬态分析,时间步长与计算时长应与结构模型保持一致。

2 参数选择与求解控制

模拟实际情况,管道选用热塑性材料,土体选用热各向同性材料,各项参数指标见表1。

表1 材料性能

删去多余的自由度,不考虑扭转作用,只考虑X-T ranslation、Y-T ranslation、Z-T ranslation。考虑材料为非线性,计算时设定为大变形分析。

3 约束和荷载

断层的运动是断层两盘的运动,考虑一盘相对静止,令一盘相对该盘运动,模拟实际情况,将断层下盘基岩的下表面全部固定。主要考虑断层位移,重力荷载、温度荷载和管道内力,断层位移在结构模型中施加,沿断层倾向,管道压力取2MPa,施加在管道内壁。温度荷载在热力模型中施加,初始温度设为20℃,施加在管道内壁。

4 网格划分及热力耦合求解

为确保计算能顺利进行,结构模型与热力模型的单元划分和网格划分应保持一致。土体选用4节点、管道采用8节点划分网格。单元组参数见表2。

表2 单元组参数

模型单元剖分如图2所示:

图2 模型单元剖分图

在结构模型中设置步增量和载荷步,进而分析管道在热力耦合作用下的变形情况,得出热力耦合作用对管道的影响,生成ADINA-S文件并保存。在热力模型中,将分析类型设置为瞬态,步长与结构模型保持一致,生成ADINA-T文件并保存。启用热力耦合求解器,打开以上生成的两个文件,进行热力耦合分析计算,进入后处理模块,读取结果。

5 结果分析

对不同荷载组合下管道的变形情况、温度变化、受力情况进行分析,结果如图3～8所示。

图3 管道的位移云图

由管道位移图可知,管道的相对最大位移发生在断层处,断层的运动是影响管道破坏的主要因素之一。

图4 地层温度云图

由地层温度云图及管道温度云图可知,最大温度发生在管道上,温度沿管道成放射状分布,且距离管道越远温度值越小。

图5 管道剪力时程曲线

图6 管道环向应力时程曲线

图7 管道轴向应力时程曲线

图8 管道位移时程曲线

6 小 结

在影响直埋热力管道破裂的诸多因素中,断层及管道内介质温度对管道破坏的影响不容忽视。由此提出两点建议:

(1)管道埋设应尽量避开跨越断层的区域,如无法避开,应在管道与断层交接处做一些特殊处理,如做成预应力拱梁,从而减小断层活动对管道造成的破坏。

(2)由于温度的变化而引起的热胀冷缩直接导致了管道剪力、轴向应变和环向应变的变化,随着温度的升高,管道的位移、轴向应变、剪力均呈增大的趋势,环向应变呈减小趋势。因此在选材上应选择弹性模量较大的材料,在施工过程中应给管道施加反变形,尽量减少热力耦合作用对管道的影响。

[1] 陈庭耀.直埋供热管道优化设计[J].煤气与热力.1988(3):55～58.

[2] 屠传珍,林乘方.预制保温管直埋敷设的设计[J].煤气与热力,1990(2):46～50.

[3] 王进忠.直埋供热管网热胀内力计算[J].煤气与热力,1990(4):40～46.

[4] 徐宝平,孙树林.供热管道直埋敷设技术的探讨[J].煤气与热力,1999(2)61～64.

[5] 洪学娣,商永鹏.浅析直埋热力管道泄漏的主要原因[J].山西建筑,2009,35(1):196～197.