叶海斌 王钰 王京京 杨奎

西部管道独山子输油气分公司

摘要：针对隧道内埋地油气管道抢修特点，综合常用龙门架的结构特性，设计了一种针对性较强的隧道专用小型龙门架。利用ABAQUS有限元设计软件建立3D模型并对变形进行分析，分别从静态和动态两个方面分析了龙门架受力情况，将其与模拟结果进行比较由此得到设计改进方案。制作的龙门架经用于应急演练表明可以满足使用要求。

关键词：隧道埋地管道；应急抢修；龙门架；有限元设计

 

西二、三线果子沟隧道群位于新疆西天山，其中果子沟段隧道穿越工程是整个西北能源动脉的咽喉。山区地势险峻，地质条件特殊，气象条件恶劣，平均海拔1800 m～3000 m。该管段是地形最为复杂的管段之一，长约30 km，管道沿河谷敷设，经过的大部分地段沟谷弯曲，局部采用隧道方式穿越山体隧道7条，累计长度约6200 m。西二、三线天然气管道在隧道内并排埋地敷设，作业空间狭小位置受限，周边道路通行条件差，不具备大型抢修设备机具作业条件。隧道内管道泄漏抢修一直是困扰行业的最大难题之一，国内没有成熟经验可借鉴，给应急维抢修工作提出了巨大挑战。

1  前期调研分析

为解决隧道内管材、机具运输和组对焊接问题，首先对果子沟内伴行道路通行条件实地调研，制定演练抢修车辆的行进路线。再依据果子沟隧道设计文件，现场实际测量隧道长度、宽度、坡度等工程尺寸及隧道内部地面情况。对吊装设施设备进行调研，现有成熟产品包括简易龙门架使用起来较为笨重不够灵活，影响隧道现场作业。为此需要研制一种快速安装、灵活轻便、操作简单、结构稳定的隧道内专用龙门架吊具。

2  龙门架结构设计

根据隧道内空间环境和管道抢险使用要求，计划设计一种集行走、上下垂直起吊、具有一定载重能力于一体的轨道式龙门架。

2.1  主体结构

隧道专用龙门架主体结构如图 1所示。在吊架底部分别安装四组滑轮，每组滑轮承重2 t，在工字钢轨道上可灵活移动，轨道两侧通过三个方形槽钢框架固定，同时在吊架顶部焊接工字钢横梁支撑架。

图 1 隧道专用龙门架主体结构图

2.2  主要参数

龙门架设计参数主要包括基础参数和工艺参数两部分。基础参数通过实地测量作业面、搬运及起吊物资的额定值确定。工艺参数通过测量需起吊的仿真模具重量、高度、载重等确定[1]，如表 1所示。

表 1 隧道专用龙门架基础参数及工艺参数

2.3  龙门架结构强度分析

龙门架主体结构由100 mm×48 mm槽钢焊接而成，其手拉葫芦所在横梁及主体结构下方的导轨采用160 mm×88 mm工字钢，导轨与固定底座用螺栓连接。根据型钢尺寸得知龙门架骨架基本截面参数如表 2所示。其中槽钢构成龙门架的主体结构，工字钢为龙门架提供移动导轨和承重作用。

表 2 龙门架骨架截面几何参数

2.4  梁的方向

如图 2所示，精确设计梁的摆放位置需要确定梁截面的三个方向，  其中n1、n2代表梁的横截面位置， t代表梁的轴线方向。

图 2 梁截面方向示意图

针对龙门架结构建立3D梁结构模型，并根据表 2几何参数赋予龙门架结构的截面属性，建立龙门架3D几何模型[2]，如图 3所示。

图 3 龙门架几何模型图

2.5  载荷及边界条件

龙门架工作载荷主要为手拉葫芦拉升重物。将该载荷简化为集中载荷，手拉葫芦移动工况，集中载荷位置主要在横梁边缘和横梁中心变化。

龙门架四根竖直槽钢与滚轮焊接并在固定导轨上移动，考虑龙门架底座边界约束。对图 3所示几何模型施加载荷和边界约束，得到如图 4所示龙门架3D有限元模型，均由中心载荷和边缘载荷构成。

图 4 龙门架载荷及边界约束示意图

2.6  许用载荷计算

槽钢或工字梁的常用材料为Q235，其许用应力一般为屈服强度的一半，通常取115 MPa。由于有限元模型中集中载荷均为单位载荷（t，下同）[3]，故许用应力与当前计算的截面最大应力的比值即为龙门架能安全承受的载荷，如表 3所示。

表 3 单位载荷龙门架截面应力及其分布

2.7  龙门架承载分析

中心载荷作用下，工字梁中心承受弯矩最大时其截面最大应力为22.23 MPa；侧面横梁中心最大截面应力为24.80+8.91=33.71 MPa；边缘载荷作用下，工字梁不承受载荷，此时侧面横梁中心受到弯矩最大，对应的最大截面应力为4.04+24.60=28.64 MPa。龙门架承受的最大安全载荷为115/33.71=3.41 t。

2.8  设计要点

龙门架主要应力点位于与工字梁两端连接的侧面槽钢中心部位，其承受的最大安全载荷为3.41 t。由于该处结构采用100 mm×48 mm槽钢焊接而成，若将其换为126 mm×53 mm槽钢，将能提高龙门架承载能力。

3  龙门架应用

（1）设计制作的龙门架如图 5所示，主体尺寸为12.0 m×1.5 m×2.4 m，经测算满足设计目标值要求。

图 5 龙门架设计效果

（2）实测4人、20分钟完成一套龙门架安装，满足30分钟目标值要求。

（3）熟练掌握吊装方法后， 15分钟即可完成物资吊装和轨道滑行至指定位置。

（4）2021年9月，该龙门架在果子沟隧道天然气泄漏应急演练中应用，图 6为龙门架安装与使用现场。

图 6 龙门架现场安装应用

4  结语

移动式龙门架根据隧道内管道抢险实际情况自主设计制作，组装简便，结构稳定，操作灵活，吊物起吊高度较高，有效减轻了作业人员劳动强度。为了保证龙门架工作可靠性和安全性，设计初期选材和结构参数确定较为保守。为减少耗材、提高工作效率，需对龙门架结构进一步优化，如改进槽钢、角钢和工字钢的侧边倾角，采用电动葫芦起吊以便更加安全高效。

 

参考文献：

[1]濮良贵，陈定国，吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013：41-46.

[2]肖黎明.Pro/E零件设计完全解析[M].北京：中国铁道出版社，2011：103-107.

[3]徐格宁，杜蜀，李聚轩，等.龙门吊机门架结构的有限元分析[J].起重运输机械，1997(1)：8-11.

 

作者简介：叶海斌，1983年生，工程师，毕业于辽宁石油化工大学，本科，现任独山子维抢修中心副主任，从事管道维抢修相关工作。联系方式：15299299956，yhb111@163.com。