管道薄壁不锈钢内衬屈曲失效理论与试验研究

发布时间：2019-11-26 22:10

【摘要】：目前我国大部分早期建设的市政埋地给排水管道已经到达设计使用年限,已经出现大规模的破损和失效,亟待更新修复。非开挖修复技术作为一种新型高效的埋地管道修复技术,能够在不开挖或者局部开挖的条件下,实现埋地管道的修复或者更换,已经在国际上被大规模推广应用。薄壁不锈钢内衬法是一种新型的非开挖修复方法,不锈钢内衬经过折叠或者在管道内部焊接的方式,在待修复的管道内部形成新的结构性内衬,提高管道结构的整体强度,并满足管道的密封和防腐要求,达到修复管道的目的。不锈钢内衬作为一种薄壁结构,在外部压力作用下(包括内部真空负压),往往容易引发屈曲破坏问题。工程上已经出现过不锈钢内衬屈曲破坏的事故,其主要原因是目前对于不锈钢内衬修复技术的理论研究十分欠缺,尤其是关于置入管道内部后的不锈钢内衬的外压屈曲强度。大量的研究表明:内衬结构的尺寸比、内衬的弹性模量及内衬施工引起的几何缺陷,对其外压屈曲性能有重大影响。不锈钢是一种金属材料,其弹性模量远大于目前常用的原位固化内衬(CIPP)、聚乙烯(PE)内衬和聚氯乙烯(PVC)内衬材料,并且常用内衬的尺寸比(DR)和安装方式也与化学材料内衬存在明显不同。因此,ASTM标准虽然适用于化学材料内衬的外压屈曲强度设计,但是却不适用于不锈钢内衬。目前薄壁不锈钢内衬法已经被列入到我国行业标准《城镇给水管道非开挖修复更新工程技术规程》CJJ/T 244-2016,但是该标准中相关的不锈钢内衬外压屈曲设计理论仍然是参考ASTM标准,这是不合适也不可行的。目前尚无针对不锈钢内衬外压屈曲性能方面的研究,不利于该修复方法的推广应用。鉴于此,论文采用理论分析和试验验证相结合的方法对不锈钢内衬的外压屈曲强度开展了研究。论文的主要研究内容和研究成果如下所示:(1)详细介绍了ASTM标准中相关理论基础的起源,并对相关的试验数据进行了深入地分析,发现试验中的环状间隙对内衬屈曲强度有显著影响,并且试验设计和计算参数的选取也并不合理,ASTM标准选择圆周支撑率K=7并不合理;(2)将各种模型计算的内衬临界屈曲强度进行了全面的对比。研究结果表明,各种计算模型的适用条件并不相同,需要根据实际情况选取合适的模型进行计算。(3)通过开展薄壁不锈钢内衬外压屈曲试验,研究得出了不同DR的内衬屈曲强度;通过将当前常用的内衬屈曲强度模型的计算结果与试验数据进行对比,验证各种计算模型的适用性。研究结果表明,不锈钢内衬的环状间隙是影响不锈钢内衬屈曲强度的主要因素;相比于人工焊接成型工艺,直径小于800 mm的不锈钢内衬采用的折叠-扩展安装工艺会使内衬产生明显缺陷,并严重降低不锈钢内衬的屈曲强度,应该禁止使用;目前常用的内衬屈曲强度模型并不适用于不锈钢内衬,而根据考虑环状间隙影响的屈曲模型计算的结果与试验数据较为符合,这种方法有可能用于计算不锈钢内衬外压屈曲强度。(4)研究提出了一种新型的多管片拼接薄壁不锈钢内衬修复技术,消除了环状间隙对外压屈曲强度的影响,并且在不增加不锈钢内衬壁厚的前提下,提高了结构的外压屈曲强度;根据该内衬的结构形式和受力特点,建立了外压屈曲力学模型,根据非线性变形假设和最小能量原理,推导了结构的外压屈曲强度解析公式。(5)在考虑不锈钢内衬材料特性、接触关系的基础上,通过有限元软件ABAQUS建立了薄壁不锈钢内衬管片在刚性约束下的屈曲数值模型;通过施加外部集中力引入微小径向位移作为初始缺陷,采用弧长法计算得出了内衬发生外压失稳的荷载-位移曲线,并得出了内衬的临界屈曲强度;通过对比推导得出的解析公式和有限元模型计算的临界屈曲强度及参考点的径向位移,发现有限元模型与解析公式的计算结果吻合,从而验证了该解析公式的正确性,表明该公式可以用于计算这种新型内衬结构的临界屈曲强度。
【图文】：

排水管道,典型缺陷

排水 2.2 3.6 8.4 22.8 15.9 52.9燃气 0.7 2.5 5.8 21.9 25.0 55.9根据上表可以看出，分别有 35.2%的供水管道、26.8%的排水管道以及 16燃气管道是在 2000 年以前建设的，总计大约 48.7 万公里，其中相当大部分已本到达设计使用年限。另外，由于城市管道多数情况下埋于道路或建筑物的，并且由于管理意识的不足和管道检测修复技术的局限性，其运行状态和安况一直以来都无法得到足够的重视，早期建设的埋地管道在运行 20~30 年后因缺少定期的管理和恰当的维护，出现了不同程度的变形及破坏问题，严重了城市管道的使用效率，导致管道出现各种各样的功能问题及安全事故[1-2]。以排水管道为例，根据上表统计结果，我国 2000 年以前建设的排水管道长 14.2 万 km。由于历史的原因，这些排水管道的建设标准比较低下，并且施量参差不齐，再加上后期的运营过程中，管理和维护措施不到位，在对这些管道进行检测时发现管道内部出现了大量的腐烛、渗漏、破裂、变形、淤积均匀沉降等结构性和功能性缺陷，如下图 1.1 所示。

广州市,暴雨,情况,排水管道

中国地质大学博士学位论文 3上述排水管道存在的典型问题，，对城市的安全带来严重的影响。排水管道出现淤积、变形和错口等问题会导致管道的排量不足，当出现较大降雨时，会形成城市内涝灾害。2010 年广州市的两场时降雨量超过 100 mm 的大暴雨，导致城区出现大面积的洪涝灾害，很多街道、商铺、停车场等区域被水淹没，局部深度甚至可达 5 m 以上，造成的经济损失超 10 亿元（如图 1.2 所示）。给水管道和排水管道出现渗漏等问题，一方面会导致地下水进入管道内部，增加了排水量，增加了污水厂的污水处理量，当排水量超过污水厂的处理量时，只能将污水直接排放，造成严重的环境污染；另一方面会造成管道周围土体流失，掏空路基土体，导致地表沉降甚至引起地面塌陷（如图 1.3 所示），导致严重的安全问题。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU991;TU992

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