PE100管非开挖拉管施工与供水过程有限元分析

PE100管非开挖拉管施工与供水过程有限元分析
李奋强;赵军;蔡志超
【摘要】为优化工程施工，采用ABAQUS商业有限元软件建立运动轨迹为圆弧的管道牵引施工有限元模型以及管道供水过程中的流固耦合模型，分析PE100给水管道在牵引施工及供水过程中的应力应变分布。

结果表明，安装后管道前部拉应力较大，在拉应力作用下将发生急剧老化甚至延性断裂失效，需去除后再与石墨管连接，其余位置均在安全范围内，不会发生失效；在供水过程中，管道上部大部分位置与预挖孔有接触，下部分处于悬空状态，产生较大的位移，部分区域存在压力变化，且不同位置的环向应力不一样，但不会造成延性断裂失效。

%In order to optimize the engineering construction, traction construction and water supply process of PE100 pipe models were analyzed using ABAQUS FEA, and stress and strain distribution of PE100 pipe in the processes were obtained and analyzed. The results indicated that the larger tensile stress on the front of pipe after installing will cause rapid aging and even ductile fracture failure on the front of pipe, which need be removed before the pipe is connected with the graphite tube. The rest of the pipe is within the scope of security free of the danger of failure. In the process of water supply, most of the upper pipe contacts with the pre-excavated hole while the lower part is in a suspended state with fairly large displacement. The water pressure of the pipeline varies on some parts of the pipeline, and the hoop stress is different on different positions. But they will not cause the ductile fracture failure of the PE100 pipe.
【期刊名称】《厦门理工学院学报》
【年(卷),期】2016(024)005
【总页数】6页(P90-95)
【关键词】非开挖牵引管技术;PE100给水管;拉应力;有限元分析
【作者】李奋强;赵军;蔡志超
【作者单位】厦门理工学院材料科学与工程学院，福建厦门361024;厦门理工学
院材料科学与工程学院，福建厦门361024;厦门理工学院材料科学与工程学院，
福建厦门361024
【正文语种】中文
【中图分类】TU991.12
非开挖地下牵引管施工(又称地下拖拉管) 是一种新型的地下管道施工技术.在建筑
工程、市政工程、铁路工程、道路和桥梁工程的施工中，地下管道和地下管线受障碍物影响无法穿越和铺设时，通常采用非开挖地下牵引管施工法解决管道连接和地下管道施工问题.
许多学者采用有限元分析方法对非开挖地下牵引管施工过程的应力分布开展了研究，曹洪波[1]介绍了非开挖牵引管的技术特点，阐述了牵引管主要的设计步骤及应注
意的技术要点，以及管道强度和回拖力的计算方法，并采用FLAC3D 对牵引管进
行了有限元分析.王猛[2]介绍了非开挖地下牵引管施工工法的特点、适用范围及工
艺原理.罗金恒等[3]基于Winkler线性理论，建立了地质灾害作用下管道与土相互作用的力学模型，并利用有限元计算了悬空管道上的应力分布.但是，这些分析模
型不是将管道简化成直管进行分析，就是简化成简支梁的模型，与实际的非开挖管
道牵引施工过程存在较大的差异.此外，对管道供水过程的流固耦合分析也较为鲜见.为此，本文针对PE100给水管非开挖牵引施工及管道供水工作过程，利用ABAQUS有限元软件建立运动轨迹为圆弧的管道牵引施工有限元模型以及管道供水过程中的流固耦合模型，研究施工与供水过程中管道的应力应变分布，以期改善PE100管道的工作环境，延长PE100管道的使用寿命.
1.1 水平定向牵引施工
水平定向牵引施工，是根据预先设计的铺管线路，驱动装有小口径导向钻头的钻杆从地面钻入，再按照预定深度和方向绕过地下障碍，直至抵达要求的出口端，形成导向孔.然后逐级换装适当尺寸和特殊类型的回扩钻头来回牵引，使之能拉回钻头的同时达到铺管所需的孔径(扩孔的最终直径根据土层的情况和管道直径确定，宜采用管道外径的1.1～1.3倍).接着将需要铺设的管道在返程中牵入钻孔，形成的钻孔必须保证铺设的管道不会由于孔径不足或钻头摩擦而受到损坏.水平牵引施工的大致工艺流程为：现场勘察→导向孔轨迹设计→测量放线→开挖工作坑→钻机就位→打导向孔→扩孔、成孔→牵引管道→砌检查井→验收→清场.
1.2 建立非开挖牵引管有限元模型
根据非开挖管道的施工方式(拉管施工)的技术特点，针对其中的牵引管道步骤，在ABAQUS有限元软件里建立有限元模型[4]，尺寸如图1所示.管道直径d=630 mm，壁厚t=37.4 mm，每根长度l=6 m；地下安装孔水平距离L=35 m，离地面高度h=8 m，孔直径尺寸D=800 mm.由于主要关注供水管道在拉管施工过程中受牵引力及与预挖孔的摩擦力联合作用下所产生的应力分布情况，因此预挖孔与牵引管采用刚体建模，而PE100管道采用弹塑性建模，根据尺寸的大小，选用壳单元.非开挖管道的有限元模型如图2所示.
PE100给水管是一种新型的适合室外埋地的给水管材，它是以高密度聚乙烯(PE100)为原料，经挤出成型和注射加工而成，具有卫生、无毒、质轻、韧性好、
耐腐蚀、渗漏少、安装施工方便等优点，该管道材料详细力学参数见表1.
根据热塑性塑料管材拉伸性能测定试验方法，采用拉伸速度5 mm/min在WDW电子万能试验机进行拉伸实验，测得的真实应力应变曲线如图3所示.
根据《给水排水管道工程施工及验收规范》[5]，管道与预挖孔之间的摩擦系数设置为0.2，牵引管道的牵引速度设为15 mm/min.为了更好地模拟施工过程，克服简化为直线运动后的不足，将牵引管的运动设置为绕图1圆弧圆心的旋转运动，并根据图1中的几何关系，推算出圆弧半径为R=23.14 m.为此，在ABAQUS中通过施加位移幅值曲线实现该运动边界条件，而当牵引管与PE100供水管的连接处从圆弧的一端沿着圆弧轨迹运动到另一端，即完成牵引施工.施工过程中预挖孔固定不动，施加固定约束.利用ABAQUS显式算法，根据简化的几何模型，施加边界条件，按照PE100材料参数计算PE100供水管道非开挖牵引施工完成后的整根管道，尤其是焊缝处的应力应变分布.
1.3 建立供水流固耦合模型
管道施工结束，在ABAQUS/CFD建立管道供水流体模型，在
ABAQUS/Standard建立管道供水结构场模型，然后通过Co-simulation流固耦合算法建立流体与结构场之间的交互作用，计算PE100管道在供水过程中的应力应变分布，同时考虑水的自重作用，流固耦合分析示意图见图4.在流体模型中，管道在入口端水压压力为0.35 MPa，出口处水流速度为0.6 m/s，水流采用标准K-epsilon湍流模型，与管壁摩擦系数设置为0.结构场模型中，管道两端固定，PE100采用的材料参数如表1和图3所示.
2.1 拉管施工过程中PE100管道的应力应变分布
图5 为牵引施工过程中不同时刻PE100管道的形状与最大应变分布图.其中：图5(a)为施工开始时候的状态，图5(b)为牵引施工进行到一半时间的状态，图5(c)为施工完成后的状态.由图5可见，在整个施工过程中，PE100管道的最大应变值为
0.85，位于PE100管道的牵引端.这是由于刚开始运动时的惯量较大，在牵引过程中，牵引管与PE100管道的运动在牵引端处存在不连续现象，使PE100管道受到瞬时较大的拉应力，从而产生变形.
图6为管道施工结束后管道沿着圆弧轨迹的应力应变分布.由图6可见，除牵引端
位置外，PE100管道其余大部分位置上的应变分布都在0.05以下，对应的应力都在25 MPa以下.这说明施工过程中，PE100管道除了牵引端位置外，大部分都处
在弹性变形阶段，而未进入塑性变形阶段，管道仍处于安全工作强度范围内，不会发生延性断裂.但在管道牵引端周围的位置，应力与应变急剧加大，应变达到0.45，应力达到了225 MPa.该部分可以在施工结束后去除，然后再与石墨管连接.可见，PE100管道采用非开挖牵引施工法不会引起管道工作部分变形失效，但会引入残
余的应力.2.2 供水过程中PE100管道的应力应变分布
考虑管道及水自身重力的影响，采用流固耦合法对PE100管道供水过程进行受力
分析，获得的管道内壁水压、管道内壁应力及竖直变形量如图7所示.从图7可见，开始供水时，水压最大值出现在入水口端附近区域，而水压最小值则出现在出水口端附近.供水过程中，考虑了因水压、水重所引起的管道变形，水压分布并非一直
呈由入水口端向出水口端逐渐降低的趋势分布.由图7(a)的流场分析结果可以看出，整个管道的水压分布与入口水压0.35 MPa接近，但最大水压出现在图中区域A.
最小水压出现在区域A沿圆管径向方向的另一侧.由图7(b)可以看出，管道上Mises应力最大值出现在入水口端；而最小值则出现在图中区域B.管道热熔和接
口处虽然屈服强度低于管道屈服强度，但最大Mises应力分布并非位于管道热熔
接口处，且由表1可以看出，管道热熔接口处的材料具有较高的断裂伸长率.因此，PE100管道不会因供水过程中水压过高发生瞬时大变形而失效.由图7(c)可以看出，管道供水过程中在竖直方向的最大变形位置位于区域A，最大位移为22.26 mm，即产生竖直最大位移的区域为管道所受水压最大区域.
图8为PE100管道从开始供水到稳定供水过程中，管道不同位置不同时刻在竖直方向上的位移.图9为供水过程中PE100管道底部不同位置的环向应力.由图8可见，在管道中间部位的竖直位移比较大，两端比较小.这是因为PE100管道在牵引施工结束后，管道存在残余应力,在管道尚未通水时，管道呈中间向上、两端向下的变形趋势；而通水工作时，因中间部位悬空，产生的竖直位移比较大.由图9可以看出，整条管道所受的环向应力均较小，远远低于PE100材料的屈服强度(22.19 MPa)，在4个热熔接合处还出现应力下降趋势.根据文献[6～7]，PE100供水管道根据应力水平可以分成3个失效特征区域，分别为延性断裂失效、准脆性断裂失效和脆性断裂失效区域，如图10所示.在延性断裂失效区，失效行为主要由短时间的大塑性变形区的延性变形所决定，而该区域主要是由材料的屈服强度所控制.因此，可以得出，在壁厚均匀的理想状态下，PE100供水管道供水过程中不会发生延性断裂失效.
图11为管道PE100不同位置的环向应力局部放大图.从图11可见，管道沿着圆弧轨迹两个不同位置的环向应力呈非均匀分布.图11(a)为管道正中间位置，在竖直方向上比较大，除了承受水压外，还承受水重，而且水重导致的环向应力起主导作用，因此环向应力在左右竖直两边的较大.图11(b)为非中心的接口位置，与(a)图相比，在圆管上下位置所受的环向应力较大，即在该位置，管道所受的径向压力起主导作用.
根据实际施工及工作条件，采用ABAQUS有限元软件，对PE100给水管道非开挖施工过程以及工作状态下的受力进行分析，获得了以下结论：
1)PE100供水管道拉管安装过程模拟分析表明，安装后管道前端承受较大的拉应力，在拉应力作用下将发生急剧老化甚至延性断裂失效；其余位置均处于安全范围内，不会发生失效.
2)在使用过程中，PE100管道上部大部分位置与预挖孔有接触；圆弧中间部分处于悬空状态，产生较大的位移.
3)供水过程流固耦合模拟分析表明，PE100管道所承受的水压与入水口的压力相比，基本保持不变，仅在部分区域存在压力变化，且不同位置的环向应力不一样，但不会造成延性断裂失效.
【相关文献】
[1]曹洪波.非开挖牵引管技术应用与有限元计算[J].江苏建筑,2011(1):69-72.
[2]王猛.非开挖地下牵引管施工工法[J].黑龙江交通科技,2012(8):56-56.
[3]罗金恒，赵新伟，王峰会，等.地质灾害下悬空管道的应力分析及计算[J].压力容
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[4]DASSAULT SYSTMES.ABAQUS 6.13 User Manual [M].Paris:Dassault Systèmes Simulia Corp.,2013.
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[7]LANG R W,PINTER G,BALIKA W.Ein neues konzept zur nachweisführung für nutzungsdauer und sicherheit von PE-druckrohren bei beliebiger einbausituation[J].3R international,2005,44(1-2)：33-41.。