既有建筑群范围内PE管道所受载荷分析

既有建筑群范围内PE管道所受载荷分析

刘超1  冯岩2

1河北省特种设备监督检验研究院  河北石家庄 050000

2河北科技大学  河北石家庄  050000

摘要：随着我国经济建设的快速发展以及 PE 燃气管道综合性的进一步提高，PE 燃气管道已经成为城镇燃气输送的重要工具。由于PE 燃气管道属于特种设备，其内部是易燃物质，一旦因管道失效而泄露，容易发生燃烧爆炸事故，因此PE管道与居民生活息息相关，保证其安全平稳的运行尤为重要。随着低碳政策大力推进，“煤改气”、“村村通”项目广泛铺开，这些项目有的不符合设计规范对PE燃气管道的间距要求，针对这样的特殊情况我们做了一些现场试验和力学模拟，努力为特检行业和PE燃气管道使用单位提供重要参考。

关键词：PE燃气管道   敷设间距   载荷   应变

1概述

现如今我们不断追求清洁能源，聚乙烯（Polyethylene，简称PE）燃气管道作为连接能源生产和消费的关键组成部分，逐渐成为能源输送系统中越发重要的技术。PE管道因其耐腐蚀性、轻质高强、柔韧性和便捷的连接技术等优点[i]，使其在燃气输送领域取得了显著的成就。在“煤改气”和“村村通”政策的推动下，为了替代煤炭能源、减少碳排放，PE管道广泛应用于农村能源供应系统。然而，在一些农村地区存在不符合安全生产标准的问题，其中突出的问题之一是PE管道的敷设不符合设计规范，具体就是施工单位或者建设单位考虑到成本、工期等因素，忽视了PE管道敷设的相关设计规范，采取了不合理或者不符合标准的敷设方式，使管道埋设深度、间距、道路夹角不符合标准要求。这些不符合项目直接导致外部载荷对管道产生不良影响，存在安全隐患。因此我们开展了现场应变测试和后期力学模拟。

2现场实验

为了获得“土壤-管道规格-埋深的应力应变关系”我们开展了现场试验。查阅相关资料，回填素土壤和建筑垃圾掺杂的土壤，素土壤密实度按照1.8g/,建筑垃圾掺杂土按照2.4g/。车辆总重为2吨，四轮驱动。由于PE管道材料会配料比例不同性能也会不同，因此我们统一使用应变值来对比，并且以标准要求最低条件作为基准值（埋深0.9米、间距1.5米、90°夹角）。

由于不同应力条件下PE100 燃气管材的室温蠕变试验表明，应力不超过5.4MPa时表现为线性黏弹性行为，根据实验结果和使用ansys进行模拟，采用的理论、实验模型、材料参数、实验结果和模拟结果如下：

1 管道模型

在ANSYS workbench中将管道简化为三维固体模型，[ii]管道的本构模型采用线弹性材料聚乙烯，密度为950Kg/m3，管道的弹性模量取1100MPa，泊松比为0.42。

2 土壤模型

ANSYS workbench中土壤本构模型[iii]采用Drucker-Prager线性模型，土壤泊松比为0.279，密度为1 700 kg/m3，零压力下屈服应力为10Mpa。材料特性包括内摩擦角(30°)、膨胀角(0°)。

3 地面受力模型

因为车辆无论是90度和45度朝向，车轮对于应变结果没有明显影响，所以此分析只考虑一个方向的受力状态，且考察的对象是地面受力之后土壤对管道的作用，因此可假设地面之上的车体为水平方向的对称体，取1/4车体的重量作用于地面，减少不必要的计算量。

4 管土耦合作用模型

管道的应力与位移分析需要考虑到管道与土壤的相互影响[iv]。常见的管土耦合作用模型[v]有弹性地基梁模型、土弹簧模型、非线性接触模型。弹性地基梁模型和土弹簧模型都是线性模型，计算方便，但是对实际情况简化过度。实际上，管道和土壤的接触是非线性的，并且存在摩擦。本文采用ANSYS workbench中的frictional非线性摩擦接触对来模拟管土耦合作用，摩擦系数取0.2。

5 边界条件约束

土壤模型的长宽高都比堆载影响范围大得多，土壤底部采用固定约束，土壤四周采用无摩擦约束，土壤上部为自由面，管道两端采用对称约束，在计算中忽略初始应力、温度应力以及地面震动的影响，模型分析按照静力学分析[vi]。

6 如果埋深较浅并且当基础的长宽比l/b≥5时，可以借鉴岩土力学里面的“条形浅基础”模型，认为管道形成了广义的“土挡墙”，即这个土挡墙模型中承载力方向应该根据载荷位置的变化而变化[vii]。

3模拟实验

根据PE燃气管道“村村通”、“煤改气”项目地点现场调查，现场调查采用APL声学管道定位仪进行定位，如下图：

根据主要不符合项和标准要求进行参数调整和模拟，参数的选择的依据是标准GB50028-2006《城镇燃气设计规范》规定“中压A管道距离建筑物基础最小距离为1.5米”、“管道宜垂直于道路”和CJJ 63-2018 《聚乙烯燃气管道工程技术标准》规定“PE燃气管道埋在车行道下最小埋深为0.9米”。得到了一批数据用以判断管道受力情况，具体如下表；

（1）通过现场观察，在煤改气较密集的区域，管道敷设的道路最小宽度约3m，我们根据“土壤-管道规格-埋深的应力应变关系”进行模拟，得到了如下结果：

（2）考虑既有建筑沉降对管道造成影响，使车辆行驶方向平行于管道并且与管道保持一定距离，我们根据“土壤-管道规格-埋深的应力应变关系”进行模拟，得到了如下结果：

（3）考虑到车辆通过时可能产生振动，对管道造成冲击载荷，我们根据“土壤-管道规格-埋深的应力应变关系”进行模拟，DN150  SDR11得到了如下结果：

4结论

根据现场试验和基于现场试验产生的模拟数据，我们可以得出结论，符合标准规范要求的最低条件可以确保管道应变处于十分微小的范围，这对于PE管材的塑性是可以接受的范围。当敷设现场条件不符合标准要求时，随着间距减小、埋深降低、冲击载荷增加管道应变迅速增加，应变甚至变为原来的45倍以上，这对于管道安全运行危害极大，PE燃气管道检验机构和使用管理单位应当严格注意管道埋深和冲击载荷，避免过载造成管道破坏、泄露。

[i]李智等  在用 PE 燃气管道失效分析 广东化工[J]2023年第14期第50卷总第496期

[ii]张瑞达等 基于ANSYS Workbench的管道内表面裂纹强度因子干涉作用研究 机电工程技术[J].2023,52(04)

[iii] 郭健等 穿越公路管道应力分析及ANSYS二次开 发煤气与热力[J]. 2020,40(12)

[iv]朱原池等 基于有限元分析的冻土区腐蚀管道力学行为研究 硕士电子期刊 2020年第06期

[v] 汪伟等 地面力学参数综合测试系统设计与试验 农业机械学报[J]. 2017,48(05)

[vi] 于瀛等 基于ANSYS Workbench的管道系统流固耦合振动特性分析 硕士电子期刊2019年第06期

[vii]李茂东等 PE100燃气管材的非线性蠕变行为及其本构模型研究 中国塑料[J] 2021年11月第35卷第11期91-96