管道台阶穿越数值模拟计算分析

常琼

摘要：通过对水平定向钻在管道回拖过程中台阶穿越模型的建立及理论分析，并利用Abaqus软件对台阶穿越的模型进行模拟仿真分析，与理论分析结果以及实际工程状况相符合，具有一定的工程参考价值。

关键词：水平定向钻；管道回拖；Abaqus

一、台阶成因分析

近年来虽然水平定向穿越技术在我国取得了飞跃的进步，但是同发达国家比起来还是存在一定的距离。我国当前正处于水平定向穿越技术发展的高潮期，很多情况下对管道回拖力的计算都取决于经验值，受人为主观因素的影响较大，理论水平远满足不了实际工程需要，因此对管道在穿越过程中的特性分析尤其是对回拖载荷的研究就变得尤为重要[1-2]。

图1 阶梯孔示意图

台阶是管道在扩孔阶段扩孔器未将坚硬的岩石切削干净或者上孔壁落石而形成的。扩孔台阶的大小也不尽相同，这主要是在穿越软硬地层交界处是扩孔器两端受力大小不同而产生不同大小的台阶。当前水平定向钻大多采用回拖扩孔，所以当扩孔器两端受力不同时产生的台阶对管道的回拖影响大小也不同[3-4]。

首先对管道穿越台阶过程进行力学分析，然后在回拖载荷净浮力计算方法的基础上建立力学平衡方程，推导出台阶阻力计算公式，并进行分析得到不同台阶参数与台阶阻力的关系。并建立管道穿越台阶的有限元计算模型，分析计算管道穿越台阶过程中回拖力以及管道应力的变化规律，得到台阶几何参数与回拖力以及管道应力的关系。通过分析管道在水平定向穿越过程中回拖载荷的变化规律，预测管道在钻孔中穿越的情况，通过计算结果预测管道穿越中是否遇到类似台阶穿越的情况，由此可保证定向穿越以施工情况及时调整工艺，防止穿越事故发生。这样可以有效地减低施工风险，减少施工成本。

二、台阶阻力计算模型的建立

（一）模型建立

水平定向台阶穿越管道在孔壁完好的情况下受重力、浮力、台阶阻力，钻机拉力（回拖力）和管道与孔壁之间的摩擦力。其中钻机拉力可近似为：

由于台阶相对于管道长度很小，因此管道在通过台阶接触面积基本不变，故摩擦力的变化可以忽略，此时台阶阻力是影响管道回拖力的主要因素，其受力情况如图1所示。管道与台阶之间的作用力主要与管道重力、浮力以及钻机拉力有关，其中管道重力与浮力的合力为：

假设管道在穿越台阶的过程中保持平衡状态，此时受力如图2所示。

由式（5）中可以看出，台阶阻力与倾角、管道长度成正比。而倾角主要与台阶的曲率和高度相关，故本研究主要分析不同高度和曲率的台阶对回拖力的影响。

又，为接触点高度，所以台阶阻力可以表示为：

（6）

三、阶梯孔穿越数值仿真分析

（一）计算模型及几何参数

不考虑管道在回拖过程中可能发生的旋转，故可建立对称模型以缩减计算时间，同时还可在对称面上施加对称约束避免产生刚体位移。阶梯孔穿越网格划分图如图3所示，

采用结构化网格与非结构网格对模型进行网格划分，共12076个网格，台阶段采用局部加密。本文分析主要研究回拖力随管道位移变化而变化的结果，故采用了C3D8R单元。

（二）台阶高度对回拖力的影响

台阶曲率r=0.5m，不同高度h（h=0.1m、0.2m、0.3m）时的三种阶梯孔穿越计算云图如图4所示。

从图中可以看出，随着台阶的增高，管道刚进入台阶时的接触应力逐渐增大，并且当台阶高度为0.3m时，管道进入台阶后，接触应力为4.65×105 Pa，大于管道自身的屈服应力（4.2×108Pa），管道将产生塑性应变。

四、结论

通过研究现场回拖力工艺中出现的常见工况，重点分析管道穿越台阶过程中的受力狀态以及回拖力变化趋势，得到如下结论：

（1）由台阶阻力计算公式分析得出： 当台阶高度与台阶曲率一定时，管道与台阶接触点越高，台阶阻力越小；当台阶高度与接触点高度一定时，台阶阻力随台阶曲率半径的增大而增大；而随台阶曲率半径与台阶高度比值的增大，台阶阻力逐渐减小。

（2）由阶梯孔穿越计算结果可得到：当台阶高度达到0.3m以后，管道穿越台阶时挂到产生轻微的塑性变形。台阶高度确定时，管道回拖力大小随台阶曲率半径的增大而减小。

通过台阶阻力对回拖载荷的影响研究，可以根据回拖载荷的变化趋势判断管道在钻孔中的穿越情况。如果回拖载荷突然增大然后减小，那么有可能遇到类似管道碰撞事故，同时可以采取紧急措施防止穿越事故发生，保证管道安全回拖。

参考文献：

[1]黎纳. 水平定向钻技术在高压燃气管道施工中的应用研究[D]. 华南理工大学，2011

[2]Cai L， Xu G， Polak M A， et al. Horizontal directional drilling pulling forces prediction methods – A critical review[J]. Tunnelling & Underground Space Technology， 2017， 69：85-93

[3]金勇. 大口径管道水平定向钻穿越施工技术[J]. 中国科技信息，2014，（01）：62-63

[4]周扬林. 水平定向钻进技术在市政供水管道施工中的应用研究[J]. 建材与装饰，2016，（07）：22-23