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【doc】“爬坡”管路石蜡沉积层最大剪应力的数值模拟

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【doc】“爬坡”管路石蜡沉积层最大剪应力的数值模拟【doc】“爬坡”管路石蜡沉积层最大剪应力的数值模拟 “爬坡”管路石蜡沉积层最大剪应力的数值 模拟 “爬坡”管路石蜡沉积层最大剪应力的数值模拟 毕露赵舒宇(1.天津市大港油田集团建设监理有限责任公司;2.中国石油大学(华东)储建学院) 摘要:由于长输管路的距离很长,所经地区地形复杂,部分热含蜡原油管 路不可避免的形成了落差大,翻越点多的恶劣状况,管路出现了”爬坡”现象. “爬坡”热含蜡原油管道在正常运行过程中,管道内的石蜡沉积物在油流剪切 应力作用下处于受力平衡状态.但是在管道停输后,由于油流流动形成的剪 力消...
【doc】“爬坡”管路石蜡沉积层最大剪应力的数值模拟
【doc】“爬坡”管路石蜡沉积层最大剪应力的数值模拟 “爬坡”管路石蜡沉积层最大剪应力的数值 模拟 “爬坡”管路石蜡沉积层最大剪应力的数值模拟 毕露赵舒宇(1.天津市大港油田集团建设监理有限责任公司;2.中国石油大学(华东)储建学院) 摘要:由于长输管路的距离很长,所经地区地形复杂,部分热含蜡原油管 路不可避免的形成了落差大,翻越点多的恶劣状况,管路出现了”爬坡”现象. “爬坡”热含蜡原油管道在正常运行过程中,管道内的石蜡沉积物在油流剪切 应力作用下处于受力平衡状态.但是在管道停输后,由于油流流动形成的剪 力消失,管壁处的石蜡沉积物处于失稳状态.于是在重力和未凝原油的共同 作用下,石蜡沉积物会发生剪切变形,蠕变,结构破坏后向管道低洼处运移, 进而造成管道低洼处凝管堵塞,使整条管线面临启动困难和全线原油凝管的 危险.本文利用ADINA的流固耦合功能,对停输后石蜡沉积物的力 学状况进 行模拟,探讨了管径等因素对石蜡沉积物的最大剪应力的大小以及分布的影 响,为工程实际提供了参考…. 关键词:管路石蜡沉积层最大剪应力数值模拟 1有限元模型 1.1材料计算模型 在管道停输的瞬间石蜡沉积物并不会发生破坏滑脱流动.这种 情况下,在力学作用下,石蜡沉积物首先发生瞬时弹性应变,紧接着 发生粘弹性蠕变,最后是塑性断裂,间隔时间短暂.为达到分析管道 停输后等效应力的分布规律的目的,数值计算时,石蜡沉积物选取多 线性弹塑性中的lubby2算法】,此广泛用于模拟岩石,混凝土材 料的长期蠕变行为,并考虑了卸载等因素的影响.中心未凝原油采取 粘弹性流体模型.对于lubbv2模型,其蠕变应变率达式如下: 吲(1一【)+1—1 I1,6,1{1 其中蠕变参数与应力的关系如下: 玑,=,71—2 =(.1—3 一一 仉=,1—4 对于上述方程,,k:,k:,蔼,G,?是六个材料相关参数,在 ADINA软件输入界面中分别用a0,a1,a2,a3,a4,a5表示,通过试 验结果来拟合上述六个蠕变参数,进而得到准确的材料模型.参数由 石蜡沉积物的直剪实验,可得相关参数如下 m=一0.01995MPa,-G=004991MPad k1-O.009034MPa,;滴=100757.588MPa k2=0.01625Mpa,:=337MPad 1.2单元选择与网格划分 ADINA为用户提供了丰富多样的单元库,其单元有一个重要 的特点,就是材料本构与单元算法是相互独立的.所以在选取单元的 过程中,只需考虑材料的几何形态即可.ADINA提出了一个单元组 的概念,即是相关单元,材料类型,积分阶次以及其它控制信息的组 合都被赋予了同一个单元组,只有在单元组完整定义了之后才能被 用来对几何模型进行有限元网格的划分.在此选用3一Dsilid单元, 此单元式用于三维的显式结构的实体单元,并且选取以应力/应变 方式输出结果.将这些赋予与前文定义的多线性蠕变材料模型赋予 同一个单元组,进而确定了石蜡沉积物的单元组类型. 在目前的研究范围内,石蜡的沉积机理主要有剪切弥散,分子扩 散,重力沉降,布朗扩散.在原油管路的运行过程中,后两者对沉积过 程影响并不是很大,因此,石蜡沉积物的模型设置成为四周厚度相同 的,而流体部分模型为粘弹性流体模型,选用27节点的六面体流体 单元,利用映射网格进行划分. 1.3载荷及边界条件 在停输之后,管道内部石蜡沉积物的力学状况非常复杂,通过对 现场管路的调研,发现石蜡沉积物紧贴管壁的部分十分致密,和管壁 接触紧密,互相之间存在很大的摩擦阻力.因此在管道停输B,1-~J石蜡 沉积物出现滑脱的时候,滑脱面不会是沉积物与管壁的接触面,故将 石蜡沉积物的外壁设置成位移边界条件,将此边界设置为位移固定 边界.所以管道壁也无需单独建模.沉积层的上端面,可以简化为轴 向向下固定的位移端面.同理,表征”爬坡”管道低端的下端面可以简 137 化为沿轴向方向限制的固定边界.石蜡沉积物的内表面设置为流固 耦合界面.固体结构的被表面和流体结构的外表面都设置为耦合界 面,进而实现结构和流体的耦合.施加的载荷是石蜡沉积物自身的重 力.固体结构有限元模型如图1—1. 图1—1石蜡沉积物结构的有限元模型 液态原油部分模型上,下端面和石蜡沉积物相应端面的边界条 件设置一致,外表面设置为流固耦合界面,耦合方式为双向直接耦 合,收敛;隹则为力和位移以以使结果更精确.这部分有限元模型的建 立如图1—2. 图1—2液态原油部分有限元模型 2计算结果以及应力分析 2.1管径对沉积层应力分布的影响 在长距离含蜡原油输送管路中,管道的管径是相差很大的.因此 讨论在不同管径下的剪应力分布很有必要.相同物性的石蜡沉积物 在不同的管径的管道里,沉积层的剪切应力的大小与分布也是不同 的.以下是当沉积物厚度为O.11m,爬坡角度为十度,管长为4m时 刻不同管径的剪应力分布. 图2—1管内径为420mm时石蜡沉积物的最大剪应力分布图 图2—2管内径为516mm时石蜡沉积物的最大剪应力分布图 图2-3管内径为720mm时石蜡沉积物的最大剪应力分布图 通过以上图形可以看出,相同的蜡沉积物厚度在不同的管内径 的管道中所受的剪应力是不一样的.当管径为72Omm时候,沉积层 高填土路基下沉的预防与处治 田志勇王玉磊(龙建路桥第三工程有限公司) 摘要:文中对高填土路基下沉的预防与处治提出了自己的见解. 关键词:高填土路基下沉原因预防与处治 1下沉的原因 平原区修筑的高等级公路其填土高度,般都在4,5m以上,在 过程中或施工完成后,高填土路段经常出现路堤整体沉降或局 部沉陷,导致路面破坏,公路的使用性能大大降低.高填土路基下沉 的原因是: 1.1路基的压实度不够.施工队伍素质较差,未严格按规 定的厚度进行碾压.路基施工过程中,由于含水量控制不当,是路 基的碾压无法达到规定压实度.如采用亚砂土作为填料时,其水分散 发很快,若在夏季施工碾压不及时,无法达到规定的压实度.?桥台 和通道两侧,由于回填部位狭窄和无法采用压路机进行碾压,使压实 度未达到要求,加上柔性填土与冈I性构造物衔接处的强度,稳定性相 差较大,导致桥台,通道两侧出现路基下沉. 1_2路基自然沉降时间短. 1.3排水不当施工过程中为注意排水处理.雨季施工时,为赶工 期排水不彻底就继续填筑,导致局部翻浆,使路基下沉. 2下沉的防治 2.1根据不同的填料选用不同的施工方法.在高等级公路填方 路堤中,由于其土方量大,土源多又分散,因此土质也比较复杂,若都 采用一种施工方法,施工效果很不理想.A,细粒砂性土作为路堤填 料的施工——细粒砂性土具有天然含水量低,塑性小,水分散发快, 不易碾压成型的特点.经试验确定,其塑性支和液限分别为: 1D=6—11,wL=20—32.击实试验表明细粒砂性土的含水量与干密 度的击实曲线比较平缓,说明适宜压实所需含水量的幅度较大.细粒 砂性土的渗透性好,适宜雨季施工.细粒砂性土在施工过程中除了含 水量对压实的效果有较大影响外,压实功能对压实效果也和很大彰 响.试验表明:同一种土密度越高,施工中在保证含水量在最佳含水 量附近的情况下,如何提高压实功能便成为一关键问题,经过检测, 细粒砂性土采用这种施工方法很难保证达到规范所规定的压实度. 振动压路机工作时,用快速连续冲击作用于地面,每冲击一次对土壤 产生一个压力波,土壤颗粒处于运动状态,实际上颗粒间的内摩擦已 被清除,在运动状态下,颗粒能找到在土体中尽可能低的位置.一般 在压实工作中,传递给材料的能量或功是一个非常重要的参数.这个 参数是表示要求达到某一最小的压实度,每单位体积最少需要多少 能量.在施工中作者发现振动压实非粘性材料比静碾压需要更少能 量,压实粘性土时,振动和静碾压都需要较多的能量,这说明砂性土 的碾压采用振动碾压效果更好.经过试验检测后发现,由于振动压路 机激振力的传递,在施工要求的25cm一层的碾压范围内其压实度 并不是很高,在15cm以下的土层压实度较高,而已填筑碾压完成并 经检测合格的表层以下的填土层压实度经重新检测压实度提高了 5%,15%之多,并有70%的检测点压实度超过了100%经过重新标 ;隹击实试验,证实了这些数据的真实可靠,这表明一细粒砂性土作为 路基填料时,可采用覆土碾压.细粒砂性土用作路堤材料只要采用一 定的技术措施,不但在技术上是可行的,而且有时非常经济,只要选 择适当的压路机具和施工方法,不但可以在雨季作业且施工方便,进 度快,还很容易达到规定的压实度.B,粘性土作为路堤填料的施工: ?粘性土具有很好的塑性,其C值(土的粘聚力)很高.粘性土的含 水量对粘性土的工程性质有极大的影响.当土从很湿逐渐变干时,会 表现出不同的物理状态,土也就有不同的工程性质.所以,控制好粘 性土的含水量在最佳含水量附近时再进行碾压是至关重要的,在此 前提下选择合适的压实机具,掌握适宜的碾压遍数和碾压速度就能 达到规定的压实度,使路基的强度和稳定性能达到保证.一般情况 下,粘性土作为路基的填料宜选择的碾压程序是:拖拉机排压两遍一 刮平机刮平一遍一18T光轮压路机碾压三遍一重型振动压路机振动 两遍.?压实以粘性土作为填料的路基,其厚度对压实效果有明显的 影响,压实厚度一般在25cm以内.?潮湿粘土作为路堤填方材料 时,其含水量往往比最佳含水量高出许多,即使空隙率已减至最低数 值,其压实度还是不能得到保证.石灰稳定法是改进高含水量粘土特 性的一种方法,试验证明,这种材料能有效地被压实.@结论:粘性土 作为路堤填材时须准确地控制含水量,需要较大的压实功和较薄的 压实厚度,当达到规范规定能够的压实度时,其强度较高. 2_2桥涵两侧高填土下沉的防治:由于桥涵两侧的地形条件特 殊,施工难度大,易积水,导致填土产生沉降,在施工过程中,可以从 以下几方面进行解决:?地基处理.桥涵来年观测地表杂务清除至干 净,做好填前压实和排水工作,使压实度达到规范值.承载力不小于 设计.结构物开挖的基坑应采用碎石类抗水性好,强度高的填料回 填,并采用小型压实机械或打夯机具夯压,严格控制填筑和碾压质 量,填筑时须开好台阶.结构物如处于软土沉降区,必须根据实际情 况进行特殊处理,宜采用粉喷桩,换填沙砾等处理台背的方法.?台 背填土.填料的选择:鉴于台背与填料二着的物理性能差异大,若在 二者之间增设一段半刚性材料,使刚柔能得到相对的渐变过渡,可避 免台背填料的集中沉降.如采用水泥或石灰稳定碎石土以及石灰稳 定土等混合型填料进行填筑,抗沉降效果较好.保证台背填土质量: 采用无机结合料进行填筑时,其压实厚度不宜超过15cm,选用合理 的压实设备,保证其压实度.台背填土与路基衔接处应开台阶,台阶 开至路基压实处.尽量保证台背填土与路基同步施工,以便提高台背 填土的施工质量并使其有一定的沉降期.?防止水的侵入.排水,桥 涵等结构物处填土,在施工中要防止雨水流入,对已有积水硬挖沟可 用水泵将其排除.对于地下水渗水,可设盲沟排出.当不得不用非渗 水土填筑时,其上应设置横向盲沟. (上接第137页) 的最大剪切应力为6706Pa,当管径变为516mm时候,最大剪应力 变为62-31.而当管径减小到420mm时候,最大剪应力变为了 5493Pa.随着管径减小,最大剪应力也逐渐变小.这是由于停输之后 石蜡沉积物不仅受到轴向方向上的剪应力,也受到径向方向的剪应 力.通过前文的受力分析可以看出,管道停输之后,由于管内压力的变 化,石蜡沉积物所受的正压力会随之变化,最终影响管壁对石蜡沉积 物的剪切力.管径越大,管壁相对弧度越大,侧壁沉积层向下滑落趋势 越明显,侧面的剪切力也越大.在管路的运行中,会使得管路管径越 大,管道的石蜡沉积层滑脱越严重,与底部原油的置换也越快. 除此之外,通过观察我们还可以发现,管径越小,高剪应力的分布 带就越宽,而管径越大,低剪应力的分布则越宽.因此可以发现,管径 越小的管段,石蜡沉积物的破坏会更加困难一些不过更加的彻底. 小结在含蜡原油管路中,石蜡沉积层的剪应力分布是不均匀 的,影响其分布的主要是沿着轴向的重力分力,沿着径向的重力分 力,以及因为挤压造成的剪切破坏.通常状况下沉积层所受的最大的 剪应力一般发生在管道的顶端外部与管壁结合的部位,并随着半径 的减小剪应力减小;沿着径向最大剪应力发生在管壁两侧中部,向上 与向下剪应力大小递减.若停输之后”爬坡”管段内石蜡沉积层的剪 切力大于石蜡沉积物的结构强度,则沉积层从管壁顶端和径向管壁 中间开始蠕变,屈服,破坏.通过数值计算模拟分析,可以得出随着 “爬坡”管段的”爬坡”角度越大,管路的管径越大,石蜡沉积物所受到 的最大剪应力越大,也就意味着越容易发生滑脱破坏.因此,通过测 试的石蜡沉积物的屈服极限和应力应变状况,即可预测在不同的工 作状况下长期不清蜡的长输含蜡原油管路”爬坡”管段内部的石蜡沉 积物是否发生破坏以及破坏的具体形式,进而可以为加热含蜡原油 管路的停输再启动问题提供工程建议,尽量避免损失. 参考文献: …王志方管内石蜡沉积物的力学响应特性研究49—5O 【2]Y4~元芳隧道围岩一支护结构长期稳定性研究.29—3O [3】KJBath工程计算中的有限元方法5O一52 138
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