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天然气与石油 NATURAL GAS AND OIL
2016年8月
挖掘载荷作用下埋地RTP管道的有限元分析
程梦鹏’甘丽华唐继蔚刘畅”
1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000； 2.杭州欧佩亚海洋工程有限公司，浙江杭州310012
摘要：为分析挖掘荷载作用在管道上所造成的后果，采用ABAQUS非线性有限元软件的耦合欧拉-拉格朗日法（CEL），对承受挖掘载荷作用的钢丝缠绕增强塑料复合管（RTP)进行有限元三维建模。土壤本构关系选用Mohr-Coulomb模型，分别从挖据载荷未直接作用和直接作用在RTP 管上进行分析，在挖掘载荷直接作用下RTP管各层材料发生屈服、断裂，管道结构发生变形、破裂，即RTP管强度失效。分析结果为采取相应的有效保护措施提供了依据。
关键词：挖掘载荷；埋地管道；热塑性增强管；耦合欧拉-拉格朗日法；有限元分析 D0I:10. 3969 /j. issn. 1006 5539. 2016. 04. 005
0前言
钢丝缠绕增强塑料复合管(RTP)是我国拥有自主知识产权的高新技术产品，它是以热塑性塑料高密度聚乙烯为基体，以高强度钢丝倾角错绕而成的网状骨架为增强体，钢丝与塑料之间采用高性能树脂粘结而成的钢塑复合结构。RTP管生产效率高，结构可设计性强，并具有承载能力强、耐腐蚀性好、耐磨性优良、性价比高、质量轻、安装运输便捷等优点。从21世纪初起，已在市政工程、民用建筑、医疗化工、农业和煤化工等行业中广泛应用。
随着人类社会的不断进步和发展，工业化程度不断提高，各种施工越来越频繁，如：修筑地下铁路、地下商场以及挖煤采矿等，如果防护措施不当，可能造成埋地输气管道的损坏"]。埋地输气管道的施工条件比较恶劣，在役检测困难，再加上输送介质的特性，一旦发生泄漏或断裂，可能引起爆炸、燃烧、中毒等重大事故，使人民的生命和财产遭受重大的损失，使社会的生产和经济遭受严重破坏[2-3] 挖掘荷载作用在管道上所造成的后果，一是直接导
致管道破裂，引起介质泄漏；二是不同程度地损坏管道防腐层或给管线造成刮痕、压坑等缺陷，为管道腐蚀或应力集中开裂埋下隐患("]。需要分析其产生的原因并
采取相应的有效措施保证管道的安全可靠运行。
宰金珉等人(3)指出无论从静力学还是动力学的角度分析结构的受力状态，土体与结构的相互作用都是不可忽略的，只有把结构与基础和地基作为相互作用又相互制约的整体分析，才能得到比较符合实际的计算结果。土体和结构的非线性接触是土体-结构相互作用间题的难点之一，较为简化的处理是土体-结构共用节点，但是准确来讲，土体与结构间的关系应该是摩擦接触，而对动力问间题来说就是动力接触[S)。本文利用ABAQUS有限元软件，采用耦合欧拉-拉格朗日算法（CEL)结合非线性动力学基本理论，模拟挖掘机破坏埋地RTP管道过程。 CEL方法结合传统拉格朗日法和耦合欧拉法的优点，已成为解决物体发生大变形情况下的一种比较通用的计算力学方法，面非线性动力学理论考患了在挖掘载荷作
用下土体和RTP管相互作用的动力间题[‘]。 1
材料模型
1.1土体的弹塑性模型
本文土体模型选用Mohr-Coulomb模型，其届服面在子午面内是一条双曲线，在偏应力平面内则是六边形，见图1(7-8)。
收稿日期：2016-04-18
基金项目：中国石油天然气集团公司重点工程资助项目（Z-2013-KTFB-7)
作者简介：程梦（1966－），男，山东安丘人，高级工程师，硕土，从事管道应用技术研究与标准制定工作。方方数据