An evaluation method of pig cleaning capacity based on contact friction characteristics
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摘要: 基于三维有限元数值模拟方法，从密封元件的接触摩擦特性出发，创新性地提出一种清管器清洁能力评价方法。利用ANSYS软件建立两种常见形式的清管器在水平直管内运行的三维有限元模型，并通过现场试验对其准确性进行验证。通过分析计算结果，分别对不同摩擦工况下的两种清管器的清洁能力进行对比。研究结果表明：接触摩擦因数对清管器在运行过程中的密封紧密度、切向刮擦力、有效清洁面积均存在影响，随着摩擦因数的增加，清管器密封元件的切向刮擦力增大，而接触紧密度和接触面积减小。在相同摩擦工况下，当密封元件材料和过盈量相同时，直板型清管器的密封紧密度和刮擦力均优于皮碗型清管器；然而在运行相同距离的情况下，皮碗型清管器所能产生的有效清洁面积大于直板型清管器。根据待清洁管道内的杂质类型来合理选择清管器种类可以有效发挥其清洁能力，提高清洁效率。Abstract: Based on the three-dimensional finite element numerical simulation, an evaluation method of pig cleaning capacity was innovatively proposed from the perspective of the contact friction characteristics of the sealing component. Three-dimensional finite element models were established for two kinds of typical pigs running in horizontal straight pipeline with ANSYS, and the accuracy of the models was verified by field tests. Further, the cleaning capacity of the two kinds of pigs under different friction conditions were compared respectively through analysis on the calculation results. The research results show that the contact friction coefficient can affect the sealing tightness, tangent scraping force and effective cleaning area of running pigs. The scraping force increases with the increasing of friction coefficient while the sealing tightness and the contact area decrease. If the material and interference of the sealing components are identical under the same friction condition, the sealing tightness and the scraping force of the straight plate pig are superior to those of cup pig. However, the effective cleaning area of the cup pig is larger than that of the straight plate pig with same running distance. Appropriate pig should be selected according to the type of impurity in the pipeline to be cleaned, so that the cleaning capacity and efficiency can be improved effectively.
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Keywords:
- cup pig /
- straight plate pig /
- contact friction characteristics /
- cleaning capacity /
- scraping force
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我国黄土地区分布广泛，主要集中在陕甘宁、青海、内蒙古等地区，兰郑长成品油管道、西气东输管道、陕京天然气管道、涩宁兰输气管道、马惠宁输油管道、石兰输油管道等途经该地区。管道施工在不同程度上改变了原有的环境状况，同时运营中的管道也普遍受到黄土病害的困扰，尤其是黄土高陡边坡，给管道安全运行造成了较大威胁[1]。
油气管道途经高陡边坡时通常采取大开挖直埋铺设，作业带宽度约5~20 m，边坡高度一般8~30 m，最高甚至可达百米。大开挖施工方法对坡面环境和植被破坏严重，黄土(尤其是湿陷性黄土)具有大孔隙、散体状及遇水湿陷特性，强降雨容易导致管沟水土流失甚至坡面失稳[2]。兰郑长成品油管道、涩宁兰输气管道及石兰输油管道的专项地质灾害调查结果表明，黄土区油气管道沿线水毁灾害和黄土湿陷灾害分布密度约为每千米0.51处，灾害数量比例超过40%。在管道建设期，一般利用草袋进行边坡防护，但受草袋自身结构特点和施工质量的限制，管道运行不久后草袋往往损坏严重并失去护坡作用，导致管沟水土流失、露管甚至斜坡失稳；在管道运营期，则普遍采用砌体或灰土、水泥土、混凝土结构的防护形式，但仍存在易损和成本过高的弊端[3]。为此，以兰郑长成品油管道陕西段干线、庆阳支线为例，通过对其途经地区的黄土斜坡变形破坏特征进行分析，提出了加筋干打垒护坡方法。
1. 病害特征
管道大开挖处黄土斜坡水毁病害特征主要体现在：①斜坡高度大、坡度陡，对于斜长超过100 m的冲沟斜坡，坡面往往上缓下陡，下部坡度超过60°；②管道埋深一般小于2 m，部分管沟夯填欠密，易塌陷；③建设期修建的草袋损坏殆尽，坡面水土流失严重；④坡面降雨汇流通道一旦形成，发展迅速，尤其对于植被覆盖稀少的管沟部位，易成为坡面汇水冲刷的主路径。
产生上述病害的原因主要包括两个方面：①黄土斜坡自身特性。黄土本身孔隙比大、天然含水量低、可塑性强、具有较高的黏聚强度，常呈硬可塑、坚硬状态，力学强度较高。但黄土被水浸泡后，土粒间的胶结作用立即遭到破坏，黏聚强度急剧降低，力学强度也随之大幅度下降[4]。天然的黄土斜坡以及斜坡上经原土回填夯实的黄土管沟一般处于稳定状态，一旦浸水，其土体强度将迅速降低。此外，对于高陡斜坡而言，坡脚土体的稳定性也至关重要，稳定的坡脚土体能够在一定程度上减缓坡面水土的流失和管沟冲刷作用。②外部因素影响。坡面管沟的开挖在一定程度上造成了原坡面的扰动，如土体的松动、坡表植被的破坏；同时有可能改变坡面原有排水路径，夯填不密实的管沟极易发展成为新的坡面汇流通道。黄土(尤其是湿陷性黄土)一旦被大量浸水或冲刷而得不到有效遏制，那么坡面水土流失、管沟塌陷、土坎垮塌甚至斜坡失稳则极易发生[5]。
2. 治理原则
油气管道开挖范围内高陡黄土斜坡病害治理的关键原则是阻渗水和稳坡脚。阻渗水要求护坡所用材料必须结构密实、水稳性好，具备良好的抗冲刷和抗渗透能力。稳坡脚则要求坡脚构筑物能够保证护坡材料稳定地附着在坡体上，不因失稳而开裂或滑塌。同时，治理措施还需满足以下3个要求：①应用的广泛性，即要求治理措施能够在黄土地区普遍适用且效果良好；②施工的便捷性，即要求治理措施取材方便、施工简单；③低成本特性，即要求治理措施成本低廉。
3. 防护方法
基于上述治理原则及要求，结合多年的坡面防护经验，提出了油气管道途经地区的黄土斜坡坡面加筋干打垒护坡防护方法(图 1，其中H为拟处理边坡的高度；α为边坡坡度)：在坡脚设置护脚矮墙，坡面采用三七灰土添加草筋进行夯实，坡顶布设截排水沟。
(1) 灰土拌置。在夯填土和石灰拌置前，需严格按照以下要求做好准备工作：①夯填土首选砂质黏土，可以采用新鲜黄土或黏土，不得采用含淤泥、腐植土、冻土、膨胀土及有机物质土作为填土材料。②夯填土含水率以15~20%为宜。③石灰需经过充分“消化”。④采用人工或机械拌置方式，将夯填土和石灰以3:7的体积比充分拌合，拌置后的灰土静置时间不得超过6 h。将拌置好的三七灰土作为干打垒的夯填料可以有效改善黄土的大孔隙特性，并阻断坡体渗水；同时，黄土中含有易溶性碳酸盐，石灰中Ca(OH)2缓慢与黄土中的CO2作用后合成CaCO3，形成坚硬的土体，可以提高土的力学性质，达到加固土层的作用[6-8]。
(2) 护脚矮墙施工。为稳定干打垒夯实体，在坡脚设置护脚矮墙。矮墙基础埋深不小于0.5 m，基底挖除0.5 m原土并用三七灰土夯实换填，矮墙地面高度以0.5 m为宜。墙身采用素混凝土、毛石混凝土或浆砌石砌筑，当墙身强度达到设计强度的70%后，方可进行干打垒夯筑。
(3) 干打垒夯筑。操作要点：①夯筑前需清除坡面上的植被，并根据拟处理边坡的高度H确定夯体级数、单级夯体高度以及夯体外侧坡度(表 1)。②根据夯体级数、夯体厚度及夯体外侧坡度的情况来预留施工马道宽度，通常施工马道宽度不小于1.2 m。③为了增加夯体抗拉强度，夯筑过程中应加筋。筋体可以采用稻草编织的草绳，草绳具有一定的耐腐蚀性，其纤维组织能承受较大的拉力，在受拉过程中状态稳定，与素土夯体相比，其抗拉强度可提高30%。因此，草绳可以作为夯体的主要加筋材料，从而延长夯体使用寿命。草绳应该编织紧密，直径不小于3 cm。筋体应该沿干打垒斜坡顺向和纵向均匀布置，间距为50 cm，每夯筑20~25 cm布置一层。④夯体厚度一般为1.5~2 m，采用机械或人工分层夯实，分层厚度宜为20 cm，夯实后的夯体压实系数不小于0.93。
表 1 夯体级数、单级夯体高度以及夯体外侧坡度取值情况
(4) 截排水施工。在I、II级湿陷性黄土地区，若存在冲刷下切的软土地区或边坡坡比大于1的情况下，应在边坡坡顶布设截排水沟。为了保证加筋干打垒护坡效果，其施工质量控制要点如下：①控制夯填土含水率。由于含水率对灰土的强度影响极大[9]，在施工中应尽量接近最优含水率(22%~23.5%)[10]，现场简易试验方法是用手抓一把灰土，要求能捏成团，但又不粘手，将手松开，落地散开。②控制夯体密实度。夯体是否密实是加筋干打垒护坡效果好坏的关键，不密实的灰土极易流失，因此在夯填灰土过程中应该严格控制夯填厚度和压实度。③设置加筋体及护脚矮墙。灰土本身强度低，抗冲击能力弱，在夯体中均匀布置加筋体将极大提高夯体的整体强度[11]。普通三七灰土和加筋三七灰土的对比试验[12]表明，加筋后的三七灰土黏聚力和内摩擦角均有大幅度的提高，而护脚矮墙的设置则提高了夯体的整体稳定性。
4. 工程应用效果
自2012年初在我国黄土区油气管道应用加筋干打垒护坡方法以来，完成了黄土坡面防护93处，防护土方工程量超过8 000 m3。与常规黄土坡面防护措施对比，浆砌石的综合单价为600~900元/m3，混凝土的综合单价为700~1 200元/m3，而干打垒的综合单价仅为150~200元/m3。依据文献[13]，利用水工效能评价技术，对其中35处典型工程进行了效能评价，其风险减缓能力(防护效果)和工程可用性(工程质量和持续发挥作用的能力)均处于较高的水平。可见，该技术防护效果好、持续作用强，在一定程度上避免了黄土坡面短期内再次出现水工病害而进行二次投资治理的情况。
5. 结论
加筋干打垒护坡方法具有适用范围广、施工便捷、成本低廉、防护效果持续时间长等优点，能够有效降低黄土区斜坡坡面水毁带来的管道安全风险。夯填土含水率、夯体压实度和加筋体及护脚矮墙设置是该技术质量控制的关键点，接近最优含水率的密实夯体阻止了水的渗入和土的流失，适当加筋提高了夯体的整体强度，而护脚矮墙则增强了夯体的整体稳定性。采用干打垒护坡治理管道开挖范围内边坡的防治方法具有较高可行性、经济性及安全性，为湿陷性黄土地区类似工程的水土病害防治提供了参考。
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