海洋管道配重钢筋笼套装管道传送工艺仿真分析研究
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【摘 要】 利用V型带或平皮带对套装好钢筋笼的防腐管道进行传送时，由于钢筋笼和支撑块直接承受管道重量，可能导致支撑块或钢筋笼产生变形。本文针对以上问题，对采用V型带或平皮带传送已套装钢筋笼的防腐管道的方案进行了仿真分析研究，得出完成钢筋笼套装的防腐管道直接置于V型带或平皮带上进行传送时，会导致支撑块或钢筋笼的严重变形，从而为套装钢筋笼工艺过程的实现提拱理论支撑与指导。
1 引言
中国经济的快速增长导致对石油的需求量越来越大，2005～2011年，中国石油对外依存度分别为42.9%、47%、50.5%、51.3%、53%、53.8%、56.5%。石油对外依存度的不断增加，使得石油短缺已成为我国能源安全的主要问题，能源安全直接关系到国家安全。因此必须加快我国石油勘探开发的步伐，以满足国民经济的需要。而随着陆地油气资源的日趋减少，海洋油气资源的勘探开发就成为我国经济和社会发展的迫切需求，这就促进了油气管道特别是大口径长输管道的大规模建设与发展。
据勘探预测，我国的海洋石油天然气储量非常丰富，其中渤海、黄海、东海及南海北部大陆架海域的石油资源量就达到275.3亿吨，天然气资源量达到10.6万亿立方米，而南海海域石油地质储量约230-300亿吨，天然气约50万亿立方米。随着海上石油天然气的不断开发，海底油气管道被广泛应用于海洋石油工业运输，其已成为国民经济和社会发展不可缺少的生命线[1]。
然而，由于受海洋环境的影响，海洋管道主要会遇到以下两个方面的问题：（1）受到浮力作用而产生漂移；（2）受外界因素的影响而产生破坏。因此，对海洋管道进行混凝土配重就成为海洋管道建设发展必不可少的环节，以克服海水浮力，增加机械保护[2，3，4]。
海洋管道混凝土配重即是在海洋防腐管道的外表面涂敷一定厚度的混凝土层，同时在混凝土层中增加加强网，以增加混凝土层强度。如图1、图2所示。
其中，加强网分金属网状结构和金属笼结构两种。金属网为钢管配重旋转的同时缠绕在钢管表面的一种钢丝网；金属笼为经焊接加工所形成的钢筋笼，其在混凝土配重前套装于防腐管道表面，并加以支撑垫块对其定位，以保证金属笼到钢管表面的距离一致且符合要求[5，6]。
当利用V型带或平皮带对套装好钢筋笼的防腐管道进行传送时，由于钢筋笼和支撑块直接承受管道重量，因此可能导致支撑块或钢筋产生变形。为此，本文主要针对采用V型带或平皮带传送传送已套装钢筋笼的防腐管道的方案仿进行仿真分析研究，以验证套装好钢筋笼的防腐管道是否可以直接置于V型带或平皮带上进行传送，是否会导致支撑块或钢筋笼的压坏变形，为套装钢筋笼工艺过程的实现提拱理论支撑与指导。
2 基本参数
2.1 管道参数
在本次分析研究主要针对直径为1.2m的防腐管道，其基本参数入表1所示。
2.2 支撑块参数
本次分析中，支撑块的材料采用以下两种：一种是聚氯乙烯（PVC）硬质材料，另一种是Q235普通碳素钢。支撑块的基本参数如表2所示。
2.3 钢筋笼参数
钢筋笼具体结构参数如表3所示。
3.1 V型带传送仿真分析研究
3.1.1 支撑块变形分析
在V型传送过程中，支撑块主要受到管道重力和V型带支撑反力的作用而产生变形，其受力简图如图3所示。由于重力均布，每一支撑块受力均等，因此为方便分析计算，本文取单位长度管道，即1m长管道作为受力单元进行仿真分析研究。由表2所知，支撑块周向间距为36度，轴向间距为500mm，因此，72度支撑范围内单位长度管道上的支撑块为3列2排，共6块。
（1）PVC支撑块。
由图4、图5可以看出，在管道重力作用下，在PVC支撑块与管道的接触面内所产生的最大应力为28.7MPa，支撑块最大变形为12.03mm，变形较大，这会导致支撑块失去定位作用，钢筋笼随之产生较大变形，影响整个生产工艺过程。故采用PVC硬质塑料支撑块支撑钢筋笼时，不能将整个套装好钢筋的防腐管道直接置于V型带上进行传送。
（2）Q235碳素钢支撑块。
由图6、图7可知，当支撑块先用Q235碳素钢时，在PVC支撑块与管道的接触面内所产生的最大应力为27.9MPa，支撑块最大变形为0.18mm，变形较小，故可以采用V型带对其进行传送。
3.1.2 钢筋笼变形分析
通过以上分析可知，支撑块选用Q235钢时，就支撑块的变型量来看，利用V型带传送套装好钢筋笼的防腐管道的方案可以实现。因此在此基础上，进一步对钢筋笼受力及变形情况进行分析。
由图8可知，在钢管重力作用下，钢筋笼产生的最大变形位于钢筋笼与V型带接触处，变形量为5.22mm，变形较大，故不能采用V型带对其进行传送。
3.2 平皮带传送仿真分析研究
通过以上分析可知，利用V型带传送时，PVC支撑块不能满足支撑要求，因此当采用平皮带传送时，支撑面积减小，支撑面内支撑块减少，支撑块受力增大，故采用PVC支撑块同样不适合。因此平皮带传送仿真分析研究中，支撑块材料均采用Q235碳素钢。
同样取单位长度管道进行分析研究，支撑面内支撑块为1列，共2块。在管道重力作用下，钢筋笼产生的最大应变为14.15mm，变形量较大，因此不能将套装好钢筋的防腐管道直接置于平皮带上进行传送。
4 结语
（1）采用PVC硬质材料作支撑块时，支撑块变形较为严重，这会导致支撑块失去定位作用，钢筋笼随之产生较大变形，影响整个生产工艺过程；采用Q235碳素钢支撑块时，支撑块变形较小，可以满足传送要求。
（2）支撑块满足要求的情况下，采用V型带和平皮带传送时，钢筋笼均会在管道重力作用下发生严重变形，使钢筋笼与管道之间间距减小，无法满足生产要求。
（3）从文中分析可知，支撑块与管道表面防腐层接触面的应力为28MPa左右，而管道防腐层的极限应力为5MPa左右，其远远超过了防腐层材料的强度极限。可见支撑块会对防腐层造成破坏，影响防腐性能，降低管道使用寿命。
参考文献：
[1]李天星.“依存度”的韧性挑战[N].中国石油企业，2011年第9期.
[2]丁新龙，韩雪艳等.海底管道混凝土加重技术现状分析[J].石油工程建设，2007，33（4）.
[3]张晓灵.单层钢管保温配重新产品在海洋油田中的应用.石油工程建设，2009，35，（3）.
[4]闫嗣伶.东方1-1气田海底管道混凝土配重层的涂敷.中国海上油气（工程），2003，15，（4）.
[5]张晓灵.海底管道防腐保温及配重技术.防腐保温技术，2009，19，（2）.
[6]李昱坤.海底管道混凝土配重涂敷设备与生产工艺.石油工程建设，2005，31（5）.