葉海斌 王鈺 王京京 楊奎

西部管道獨山子輸油氣分公司

摘要：針對隧道內埋地油氣管道搶修特點，綜合常用龍門架的結構特性，設計了一種針對性較強的隧道專用小型龍門架。利用ABAQUS有限元設計軟件建立3D模型并對變形進行分析，分別從靜態和動態兩個方面分析了龍門架受力情況，將其與模擬結果進行比較由此得到設計改進方案。制作的龍門架經用于應急演練表明可以滿足使用要求。

關鍵詞：隧道埋地管道；應急搶修；龍門架；有限元設計

 

西二、三線果子溝隧道群位于新疆西天山，其中果子溝段隧道穿越工程是整個西北能源動脈的咽喉。山區地勢險峻，地質條件特殊，氣象條件惡劣，平均海拔1800 m～3000 m。該管段是地形最為復雜的管段之一，長約30 km，管道沿河谷敷設，經過的大部分地段溝谷彎曲，局部采用隧道方式穿越山體隧道7條，累計長度約6200 m。西二、三線天然氣管道在隧道內并排埋地敷設，作業空間狹小位置受限，周邊道路通行條件差，不具備大型搶修設備機具作業條件。隧道內管道泄漏搶修一直是困擾行業的最大難題之一，國內沒有成熟經驗可借鑒，給應急維搶修工作提出了巨大挑戰。

1  前期調研分析

為解決隧道內管材、機具運輸和組對焊接問題，首先對果子溝內伴行道路通行條件實地調研，制定演練搶修車輛的行進路線。再依據果子溝隧道設計文件，現場實際測量隧道長度、寬度、坡度等工程尺寸及隧道內部地面情況。對吊裝設施設備進行調研，現有成熟產品包括簡易龍門架使用起來較為笨重不夠靈活，影響隧道現場作業。為此需要研制一種快速安裝、靈活輕便、操作簡單、結構穩定的隧道內專用龍門架吊具。

2  龍門架結構設計

根據隧道內空間環境和管道搶險使用要求，計劃設計一種集行走、上下垂直起吊、具有一定載重能力于一體的軌道式龍門架。

2.1  主體結構

隧道專用龍門架主體結構如圖 1所示。在吊架底部分別安裝四組滑輪，每組滑輪承重2 t，在工字鋼軌道上可靈活移動，軌道兩側通過三個方形槽鋼框架固定，同時在吊架頂部焊接工字鋼橫梁支撐架。

圖 1 隧道專用龍門架主體結構圖

2.2  主要參數

龍門架設計參數主要包括基礎參數和工藝參數兩部分�；�礎參數通過實地測量作業面、搬運及起吊物資的額定值確定。工藝參數通過測量需起吊的仿真模具重量、高度、載重等確定[1]，如表 1所示。

表 1 隧道專用龍門架基礎參數及工藝參數

2.3  龍門架結構強度分析

龍門架主體結構由100 mm×48 mm槽鋼焊接而成，其手拉葫蘆所在橫梁及主體結構下方的導軌采用160 mm×88 mm工字鋼，導軌與固定底座用螺栓連接。根據型鋼尺寸得知龍門架骨架基本截面參數如表 2所示。其中槽鋼構成龍門架的主體結構，工字鋼為龍門架提供移動導軌和承重作用。

表 2 龍門架骨架截面幾何參數

2.4  梁的方向

如圖 2所示，精確設計梁的擺放位置需要確定梁截面的三個方向，  其中n1、n2代表梁的橫截面位置， t代表梁的軸線方向。

圖 2 梁截面方向示意圖

針對龍門架結構建立3D梁結構模型，并根據表 2幾何參數賦予龍門架結構的截面屬性，建立龍門架3D幾何模型[2]，如圖 3所示。

圖 3 龍門架幾何模型圖

2.5  載荷及邊界條件

龍門架工作載荷主要為手拉葫蘆拉升重物。將該載荷簡化為集中載荷，手拉葫蘆移動工況，集中載荷位置主要在橫梁邊緣和橫梁中心變化。

龍門架四根豎直槽鋼與滾輪焊接并在固定導軌上移動，考慮龍門架底座邊界約束。對圖 3所示幾何模型施加載荷和邊界約束，得到如圖 4所示龍門架3D有限元模型，均由中心載荷和邊緣載荷構成。

圖 4 龍門架載荷及邊界約束示意圖

2.6  許用載荷計算

槽鋼或工字梁的常用材料為Q235，其許用應力一般為屈服強度的一半，通常取115 MPa。由于有限元模型中集中載荷均為單位載荷（t，下同）[3]，故許用應力與當前計算的截面最大應力的比值即為龍門架能安全承受的載荷，如表 3所示。

表 3 單位載荷龍門架截面應力及其分布

2.7  龍門架承載分析

中心載荷作用下，工字梁中心承受彎矩最大時其截面最大應力為22.23 MPa；側面橫梁中心最大截面應力為24.80+8.91=33.71 MPa；邊緣載荷作用下，工字梁不承受載荷，此時側面橫梁中心受到彎矩最大，對應的最大截面應力為4.04+24.60=28.64 MPa。龍門架承受的最大安全載荷為115/33.71=3.41 t。

2.8  設計要點

龍門架主要應力點位于與工字梁兩端連接的側面槽鋼中心部位，其承受的最大安全載荷為3.41 t。由于該處結構采用100 mm×48 mm槽鋼焊接而成，若將其換為126 mm×53 mm槽鋼，將能提高龍門架承載能力。

3  龍門架應用

（1）設計制作的龍門架如圖 5所示，主體尺寸為12.0 m×1.5 m×2.4 m，經測算滿足設計目標值要求。

圖 5 龍門架設計效果

（2）實測4人、20分鐘完成一套龍門架安裝，滿足30分鐘目標值要求。

（3）熟練掌握吊裝方法后， 15分鐘即可完成物資吊裝和軌道滑行至指定位置。

（4）2021年9月，該龍門架在果子溝隧道天然氣泄漏應急演練中應用，圖 6為龍門架安裝與使用現場。

圖 6 龍門架現場安裝應用

4  結語

移動式龍門架根據隧道內管道搶險實際情況自主設計制作，組裝簡便，結構穩定，操作靈活，吊物起吊高度較高，有效減輕了作業人員勞動強度。為了保證龍門架工作可靠性和安全性，設計初期選材和結構參數確定較為保守。為減少耗材、提高工作效率，需對龍門架結構進一步優化，如改進槽鋼、角鋼和工字鋼的側邊傾角，采用電動葫蘆起吊以便更加安全高效。

 

參考文獻：

[1]濮良貴，陳定國，吳立言.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2013：41-46.

[2]肖黎明.Pro/E零件設計完全解析[M].北京：中國鐵道出版社，2011：103-107.

[3]徐格寧，杜蜀，李聚軒，等.龍門吊機門架結構的有限元分析[J].起重運輸機械，1997(1)：8-11.

 

作者簡介：葉海斌，1983年生，工程師，畢業于遼寧石油化工大學，本科，現任獨山子維搶修中心副主任，從事管道維搶修相關工作。聯系方式：15299299956，yhb111@163.com。