一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，该方法包括以下步骤：确定管道基本参数；确定吊机布置方案；建立管道吊装下沟有限元模型；预估各吊点吊力，并在管道各吊点位置上施加吊力；计算管道吊装下沟应力和位移；管道吊装下沟控制条件判断；得到合理管道吊装下沟方案。本发明专利技术的有益效果为：通过采用有限元分析方法，将工程问题进行抽象化处理，使之简化为力学模型，模拟油气长输管道吊装下沟过程并计算得到合理的吊装下沟方案；从而为油气长输管道吊装下沟实施提供理论依据，并对施工过程进行指导，保障施工作业安全。

A numerical simulation method for hoisting down trench of long-distance oil and gas pipeline

The invention discloses a numerical simulation method for hoisting down trench of oil and gas long distance pipeline, which includes the following steps: determining basic parameters of pipeline; determining layout scheme of hoist; establishing finite element model of hoisting down trench of pipeline; estimating hoisting force of each hoisting point and applying hoisting force on each hoisting point position of pipeline; calculating stress and displacement of hoisting down trench of pipeline; and judging control condition of hoisting down trench of pipeline; Reasonable piping hoisting ditch scheme is obtained. The beneficial effects of the present invention are as follows: by adopting finite element analysis method, the engineering problems are abstracted, simplified into mechanical model, the process of hoisting and trenching of long-distance oil and gas pipelines is simulated, and the reasonable scheme of hoisting and trenching is calculated, thus providing theoretical basis for the implementation of hoisting and trenching of long-distance oil and gas pipelines, guiding the construction process and ensuring the safety of construction operation.

【技术实现步骤摘要】
一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法
本专利技术涉及管道施工
，具体而言，涉及一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法。
技术介绍
随着国家基础建设投资的不断加大，各种输油、送气、供水等长距离输送管道的施工越来越多。管道整体吊装下沟施工技术以其快捷、安全、环保的优势，越来越广泛地应用到长输管道的施工中。由于相关的施工标准是参照有关工程经验制定的，没有完全考虑施工条件的影响，也缺乏相应的理论计算，使管道吊装下沟施工技术的应用主观性较强，现场预判能力较弱，导致施工效率和施工质量下降，可能导致管道损伤，存在施工安全隐患。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种数值模拟方法，得到合理的吊装下沟方案，对长输管道吊装下沟的施工具有指导作用。本专利技术提供了一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，该方法包括以下步骤：步骤101：确定管道基本参数；步骤102：确定吊机布置方案；步骤103：建立管道吊装下沟有限元模型；步骤104：预估各吊点吊力，并在管道各吊点位置上施加吊力；步骤105：计算管道吊装下沟应力和位移；步骤106：管道吊装下沟控制条件判断；步骤107：调整各吊点吊力和吊机布置方案，得到合理管道吊装下沟方案。作为本专利技术进一步的改进，步骤101中，管道基本参数包括：管径、壁厚、下沟深度。作为本专利技术进一步的改进，步骤102中，包括确定吊机型号、吊机台数和间距等。作为本专利技术进一步的改进，步骤103中，中具体包含：(a)管道简化为三维薄壁单元；(b)管道与土体之间的摩擦和支撑作用采用接触单元模拟；(c)假设计算管段足够长，吊装下沟部位不会对计算管段端部产生影响；(d)计算管段两端采用自由约束；(e)吊机对管道的起吊作用简化为集中载荷施加于管道节点上。有限元分析时，需要将工程问题进行抽象化处理，使之简化为力学模型，进而采用有限元方法计算。作为本专利技术进一步的改进，步骤104中，各吊点吊力按照水平方向和竖直方向进行分解，然后在管道各吊点位置上施加吊力(可分解为水平吊力和竖向吊力)，然后计算管道位移和变形。起吊过程工，各吊点的吊力方向均为沿吊绳指向吊臂顶点。n台吊机，将各点吊力Fi进行分解，分解为水平吊力分量Fhi和竖向吊力分量Fvi，如图2所示，根据力的分解有以下关系：Fhi＝Fisinαi(i＝1,2,......,n)Fvi＝Ficosαi(i＝1,2,......,n)式中，Fi为第i吊点的吊力；Fhi为第i吊点吊力Fi的水平吊力分量；Fvi为第i吊点吊力Fi的竖向吊力分量；αi为第i吊点合力方向与竖直方向的夹角。作为本专利技术进一步的改进，步骤106中具体包括：步骤S1，判断是否满足吊机起吊规律，若满足则进行步骤S2，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，当多次返回步骤104调整各吊点吊力仍然无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；步骤S2，判断是否满足吊机承载力要求，若满足则进行步骤S3，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，当多次返回步骤104调整各吊点吊力仍然无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；步骤S3，判断是否满足防撞要求，即管道是否碰撞管沟沟壁及管道是否碰撞吊机吊臂，若满足则进行步骤S4，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，当多次返回步骤104调整各吊点吊力仍然无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；步骤S4，判断是否满足管道应力要求，若满足则进行步骤106，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，当多次返回步骤104调整各吊点吊力仍然无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案。作为本专利技术进一步的改进，吊机起吊规律满足下列公式：式中，Vi为未起吊时管道第i吊点横截面中心与第i台吊机吊臂顶点的水平距离；Hi为未起吊时管道第i吊点横截面中心与第i台吊机吊臂顶点的垂直距离；Vhi为第i吊点的水平位移；Vvi为第i吊点的竖向位移；Fhi为第i吊点吊力的水平吊力分量；Fvi为第i吊点吊力的竖向吊力分量。其中，各吊点吊力的关系为：式中，αi为第i吊点合力方向与竖直方向的夹角；各吊点位移的关系为：在一定的臂展幅度条件下，管道起吊并发生位移后，各吊点的管道位置、吊绳长度和夹角唯一确定。起吊过程中，假设第i台吊机处，吊点的水平位移和竖向位移分别为Vhi和Vvi，如图3所示，则可根据几何关系得到：式中，α′i为第i台吊机吊绳与竖直方向的夹角；对于每一台吊机，合力方向即为吊绳方向，因此αi和αi′应相等，因此吊力与位移的关系为：即为吊机的起吊规律。作为本专利技术进一步的改进，第i台吊机的承载力条件下列公式所示：式中，Fi为第i台吊机的实际吊力，应包含吊钩或吊篮结构的重量；Li为第i台吊机的实际力臂；Foi为第i台吊机在吊绳垂直状态下的起吊能力；Loi为第i台吊机在吊绳垂直状态下的力臂。其中，由图4可知，第i台吊机在某一吊臂幅度下垂直起吊时，吊机的起吊能力为定值，起吊能力以力矩来表示，该吊臂幅度下的额定起吊力矩为：Moi＝Foi·Loi(i＝1,2,......,n)式中，Moi为第i台吊机在某一吊臂幅度下的额定起吊力矩；Foi为第i台吊机在吊绳垂直状态下的起吊能力；Loi为第i台吊机在吊绳垂直状态下的力臂。若第i台吊机在某一吊臂幅度下，起吊后吊绳不在竖直方向上(大多数情况下均如此)，发生内偏或外偏，如图4所示。此时，该吊臂幅度下的实际起吊力矩为：Mi＝Fi·Li(i＝1,2,......,n)式中，Mi为第i台吊机的实际起吊力矩；Fi第i台吊机的实际吊力，应包含吊钩或吊篮结构的重量；Li为第i台吊机的实际力臂。应保证每台吊机具有足够的起吊能力，则Mi≤Moi(i＝1,2,......,n)即Fi·Li≤Foi·Loi(i＝1,2,......,n)因此，可得到第i台吊机的承载力条件为：作为本专利技术进一步的改进，为了避免管道在吊装下沟过程中碰撞沟壁而损伤防腐层，如图5所示，管道位置应在一定范围内，管道各吊点位移应满足下列关系：(a)当Rsinα-Hzd-R≤Vi≤-Hzd时：(b)当Vi＜Rsinα-Hzd-R时：Rcosα+Hd+(Rsinα-Hzd-R-Vi)tanα≤Hi≤Hd+B+2dtanα-Rcosα-(Rsinα-Hzd-R-Vi)tanα式中，d为管沟深度；B为沟底宽度；α为管沟边坡与竖向夹角；R为管道横截面半径；Hd为沟上管道中心距离管沟边缘的距离；Hzd为沟上管道支墩高度；Hi为管道第i吊点的水平方向位移，向管沟一侧移动为正；Vi为管道第i吊点的竖直方向位移，相对于沟上初始位置向上为正。作为本专利技术进一步的改进，为了避免管道在吊装下沟过程中碰撞吊机吊臂而损伤防腐层，管道竖向投影位于吊臂竖向投影内部时，即管道吊起后位于内偏角时，应满足下列公式：式中，βi为第i台吊机的吊绳与竖向夹角，βi＝f(Ai,Hi,Vi)；γi为第i台吊机的吊臂与竖向夹角，γi＝g(Ai)；R为管道横截面外圆半径；Li为第i台吊机的吊绳长度，即第i台吊机的吊臂顶点至管道第i吊点横截面中心的距离，Ai为第i台吊机的吊臂外伸幅度；Hi为管道第i吊点的水平方向位移；Vi为管道第i吊点的竖直方向位移。其中，定义内偏为：管道吊起后，相对于吊臂顶点所在的竖向位置，吊绳偏向吊机一侧为内偏；内偏时，管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤101：确定管道基本参数；步骤102：确定吊机布置方案；步骤103：建立管道吊装下沟有限元模型；步骤104：预估各吊点吊力，并在管道各吊点位置上施加吊力；步骤105：计算管道吊装下沟应力和位移；步骤106：管道吊装下沟控制条件判断；步骤107：调整各吊点吊力和吊机布置方案，得到合理管道吊装下沟方案。

【技术特征摘要】
1.一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤101：确定管道基本参数；步骤102：确定吊机布置方案；步骤103：建立管道吊装下沟有限元模型；步骤104：预估各吊点吊力，并在管道各吊点位置上施加吊力；步骤105：计算管道吊装下沟应力和位移；步骤106：管道吊装下沟控制条件判断；步骤107：调整各吊点吊力和吊机布置方案，得到合理管道吊装下沟方案。2.根据权利要求1所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，步骤101中，管道基本参数包括：管径、壁厚、下沟深度。3.根据权利要求1所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，步骤102中，包括确定吊机型号、吊机台数和间距。4.根据权利要求1所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，步骤103中具体包含：(a)管道简化为三维薄壁单元；(b)管道与土体之间的摩擦和支撑作用采用接触单元模拟；(c)假设计算管段足够长，吊装下沟部位不会对计算管段端部产生影响；(d)计算管段两端采用自由约束；(e)吊机对管道的起吊作用简化为集中载荷施加于管道节点上。5.根据权利要求1所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，步骤104中，各吊点吊力按照水平方向和竖直方向进行分解。6.根据权利要求1所述的一种油气长输管道吊装下沟数值模拟方法，其特征在于，步骤106，具体包括：步骤S1，判断是否满足吊机起吊规律，若满足则进行步骤S2，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；步骤S2，判断是否满足吊机承受力要求，若满足则进行步骤S3，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；步骤S3，判断是否满足防撞要求，即管道是否碰撞管沟沟壁及管道是否碰撞吊机吊臂，若满足则进行步骤S4，否则首先返回步骤104调整各吊点吊力，无法得到合理方案时再返回步骤102调整吊机布置方案；步骤S4，判断是否满足管道应力要求，若满足则进行步骤107，否则首先返回步骤104调整...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉卿，齐万鹏，武玉梁，张振永，余志峰，王贵涛，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油管道局工程有限公司，中国石油管道局工程有限公司设计分公司，
类型：发明
国别省市：北京,11