HDPE管道在水平定向钻进回拖中的变形损坏机理及数值模拟

论文摘要

水平定向钻进技术是发展最快速、技术最先进、设备最完善、应用最广泛的非开挖施工工法之一,在非开挖施工中占据了主导地位。高密度聚乙烯管道以其特殊的性能在水平定向钻进中得到广泛应用,是目前水平定向钻进使用最为普遍的管材。然而,采用水平定向钻进技术铺设高密度聚乙烯管道时,往往会遇到这样一个重要问题:回拖过程中,HDPE管道发生了较大的截面尺寸变形,回拖的管道由圆变扁了,导致管道穿越铺设工程的失败。造成管道铺设失败的原因,是由于发展历史有限,基础研究不足,已有研究还未专门涉及HDPE管道在水平定向钻进回拖中的变形损坏机理问题。目前,由于基础研究的缺乏,HDPE管道回拖过程中对变形损坏现象的控制,也都是根据经验进行判别和选取。工程实践中,由于地层特性和环境条件多变、管道材质不同、钻孔轨迹形状多样和施工工艺各异,仅凭经验数据指导设计与施工带来许许多多的问题,造成管道铺设的失败。因此,HDPE管道在水平定向钻进回拖中的损坏机理,既是一个工程现场急需解决的技术问题,也是完善非开挖施工基础理论和工艺技术的需求。解决这一问题对提高非开挖工程施工技术水平,减少工程风险,在国内率先开拓研究新领域,提高项目经济效益具有很好的现实意义。在总结、吸收前人研究成果的基础上,从力学和几何学的角度全面分析了水平定向钻进铺设HDPE管道受力模型,对HDPE管道的损坏机理进行了理论分析。探讨地质因素、工程施工因素、管材因素对管道损坏的影响;建立管道外部压力的计算模型并进行理论分析,解决了以往只对管道的轴向拉力进行计算分析的缺陷。运用大型ANSYS有限元软件进行数值模拟,将其与理论计算结果进行对比,判断数值模拟结果和理论计算结果的符合度。分析管道的弹性模量、管道标准尺度比值、管道直径变形率、管道轴向拉力对管道变形损坏影响。结合具体工程实例,分析管道内是否充满压载液时管道轴向拉应力大小和抗失稳安全系数。应用有限元和理论得出的计算分析结果,确定管道在复杂载荷作用下的管道最大应力和管道损坏的关系,提出有效的防止管道变形损坏的防止方案及措施。利用所研究的理论模型和有限元软件,结合具体工程实例对管道变形损坏机理进行研究探讨,得出了以下结论:1、地质因素、工程施工质量、管材因素是影响管道损坏的重要因素,在砂卵石等不稳定地层管道易于发生变形损坏。2、建立了管道外部压力的计算模型并且进行了理论分析,解决了以往只对管道的轴向拉力进行计算分析的缺陷。3、对管道损坏机理进行理论分析,并且用第三强度理论进行判断,当管道的净外部压力超过管道的无约束允许外压时管道发生变形损坏。4、用大型有限元软件进行数值模拟,所得结果和理论计算结果比较符合。通过结果分析得出:随着管道的弹性模量的增加,管道的无约束允许外压增大;随着管道的径厚比、管道直径变形率、管道轴向拉力的减小,管道的无约束允许外压增大。直径变形率折减系数最小可以达到0.28,轴向拉力折减系数最小可以达到0.65。5、通过理论分析和事实证明,在管道内充满填充液不仅可以降低管道的最大回拖力,而且还可以大大提高管道的抗失稳安全系数,有效地防止管道变形损坏。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第2章 高密度聚乙烯管道（HDPE）在水平定向钻进技术中的应用
• 2.1 HDPE 材料简介
• 2.1.1 聚乙烯的主要性质
• 2.1.2 高密度聚乙烯材料的力学行为及粘弹性材料特性简介
• 2.2 聚乙烯管材的特性
• 2.2.1 聚乙烯管材的性能
• 2.2.2 塑料压力管道连接技术简介
• 2.3 聚乙烯管道在水平定向钻进铺设管道中应用的优越性
• 2.3.1 耐腐蚀性
• 2.3.2 接头的可熔接性
• 2.3.3 良好的柔韧性
• 2.4 管道损坏的影响因素分析
• 2.4.1 地质影响因素
• 2.4.2 工程因素
• 2.4.3 材料因素
• 第3章 水平定向钻进铺设HDPE 管道受力模型研究及理论分析
• 3.1 水平定向钻进管道回拖轴向拉力的计算及理论分析
• 3.1.1 铺管阻力计算模型基本假定
• 3.1.2 铺管阻力计算模型的建立
• 3.1.3 轴向拉伸应力的计算及理论分析
• 3.2 管道外部压力的计算模型及理论分析
• 3.2.1 水平定向钻进管道外部荷载
• 3.2.2 水平定向钻进铺设管道变形分析
• 3.2.3 管道允许外压理论分析
• 第4章 水平定向钻进铺设HDPE 管道有限元分析
• 4.1 有限元概述
• 4.2 非线性有限元问题分析
• 4.2.1 材料非线性
• 4.2.2 几何非线性
• 4.2.3 边界非线性
• 4.3 ANSYS 的应用举例与探讨
• 4.3.1 管道模型及单元的选取
• 4.3.2 边界条件的选取
• 4.3.3 屈服准则的选取
• 4.3.4 计算工况
• 4.3.5 ANSYS 变形结果
• 第5章 水平定向钻铺设HDPE 管道损坏影响因素分析
• 5.1 管道的弹性模量
• 5.2 径厚比
• 5.3 管道直径变形率
• 5.4 管道轴向拉力
• 5.5 结合工程实例进行计算分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果
• 附录A