第一章地下管道

第1章地下管道干線（長輸）管道中98%是地下；管道地下敷設的優(yōu)點施工簡單、占地面積小，節(jié)省投資，容易受到保護，不影響交通和農(nóng)業(yè)耕作管道過沼澤、高地下水位和重鹽堿土地區(qū)時，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后，可采用土堤敷設。1-1

荷載和作用力荷載是管道及其附件的強度設計依據(jù)。實際中存在多種荷載，各具不同特征，造成的材料破壞形式和機理也存在差異。

荷載分類：永久荷載可變荷載偶然荷載設計時組合。永久荷載（恒荷載）

輸送介質(zhì)的內(nèi)壓力；鋼管及其附件、絕緣層、保溫層、結(jié)構(gòu)附件等的自重；輸送介質(zhì)的重量；橫向和豎向的土壓力；靜水壓力和水浮力；溫度應力以及靜止流體由于受熱膨脹而增加的力；由于連接構(gòu)件相對位移而產(chǎn)生的作用力。可變荷載（活荷載）

試運行時的水重量；附在管道上的冰雪荷載；由于內(nèi)部高落差或風、波浪、水流等外部因素產(chǎn)生的沖擊力；車輛及行人荷載；清管荷載；檢修荷載；施工過程中的各種作用力。偶然荷載位于地震基本烈度七度及七度以上地區(qū)的管道，由地震引起的活動斷層位移、沙土液化、地基滑坡施加在管道上的力；由于振動和共振所引起的應力；凍土或膨脹土中的膨脹壓力；沙漠中沙丘移動的影響；地基沉降附加在管道的荷載。

環(huán)向應力是由管道輸送介質(zhì)內(nèi)壓產(chǎn)生的。內(nèi)壓是影響管道強度的主要荷載之一，可產(chǎn)生環(huán)向應力、軸向應力、徑向應力。厚壁管道：環(huán)向應力、軸向應力、徑向應力薄壁管道：環(huán)向應力、軸向應力1-2

環(huán)向應力薄壁管道環(huán)向應力（Barlow公式）因此，可考慮用環(huán)向應力大小確定壁厚。該式表明：管壁厚越厚，環(huán)向應力越小，管線越不易破壞。取單位長度管道ppDD軸向應力精確解：近似解（薄壁）：薄壁管道截面系數(shù)求解也存在類似的問題例1-1：管道外徑273mm，壁厚9mm，內(nèi)壓10Mpa，分別按精確值和薄壁近似公式計算管道的軸向應力，并比較兩種計算方法的差別。解：已知：

軸向應力精確解：近似值：兩者的相對誤差為10.8％

管道軸向應力近似值的保守性隨比值D／δ增大而增大，一般而言，如果D／δ比值小于20，則應按厚壁管考慮。上例中，若將壁厚換成14mm，相對誤差可達到17.8%。厚壁管道——有徑向應力徑向應力環(huán)向應力若僅有內(nèi)壓厚壁管道環(huán)向應力校核應取最大值——內(nèi)壁處。環(huán)向應力徑向應力環(huán)向應力的大小與位置有關，校核時應校核最大值。比較和結(jié)論厚壁和薄壁環(huán)向應力比較（例1-2）

環(huán)向應力厚壁和薄壁計算結(jié)果誤差較小環(huán)向應力和軸向應力比較（例1-1，1-2）

環(huán)向應力比軸向應力大（1倍），因此管道破壞時通常是沿著縱向開裂的。

壁厚設計時，主要應考慮環(huán)向應力，油氣管道多屬于薄壁管道，因此可采用薄壁管道環(huán)向應力公式計算。1-3

許用應力與壁厚設計管徑、壓力由工藝確定，壁厚由強度確定。式中:

—許用應力

許用應力—焊縫系數(shù)—鋼管最低屈服強度—設計系數(shù)，按規(guī)范取值

輸油站外一般地段取0.72，穿越段按規(guī)范取值鋼管的最低屈服強度和焊縫系數(shù)（一）鋼管標準名稱鋼號或鋼級最低屈服強度（Mpa）焊縫系數(shù)備注《輸送流體用無縫鋼管》Q295295（d>16mm為285）1d為鋼管公稱壁厚GB/T8163-1999Q345295（d>16mm為315）

20245（d>16mm為235）《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨條件第1部分：A級鋼管》GB/T9711.1-1997L175(A25)175(172)1L210(A)210(207)L245(B)245(241)L290(X42)290(289)L320(X46)320(317)L360(X52)360(358)L390(X56)390(386)L415(X60)415(413)L450(X65)450(448)L485(X70)485(482)L555(X80)555(551)鋼管的最低屈服強度和焊縫系數(shù)（二）鋼管標準名稱鋼號或鋼級最低屈服強度(Mpa）焊縫系數(shù)備注《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨條件第2部分：B級鋼管》GB/T9711.1-1999L245NB245~440*1B級管的質(zhì)量和試驗要求高于A級管L245MBL290NB290~440*L290MBL360NB360~510*L360QBL360MBL415NB415~565*L415QBL415MBL450QB450~570*L450MBL485QB485~605*L485MBL555QB555~675*L555MBNB為無縫管和焊接管用鋼，QB為無縫管用鋼，MB為焊接管用鋼；*為0.5%應變的應力值。輸油管道直管段的壁厚設計公式式中:

—壁厚，mm—設計壓力，MPa—管道直徑，mm—鋼管的許用應力，MPa管道出現(xiàn)的最高操作壓力（水擊）輸氣管道壁厚設計公式式中:

—設計壓力，MPa—管道直徑，mm—設計系數(shù)

—溫度折減系數(shù)，當溫度低于120C時，取

t=1.0

—鋼管的最低屈服強度，MPa—焊縫系數(shù)計算得到的壁厚應向上圓整至鋼管的公稱壁厚輸氣管道的強度設計系數(shù)地區(qū)等級（沿管道中心線兩側(cè)各200m范圍內(nèi)，任意劃分成長度為2km并能包括最大聚居戶數(shù)的若干地段）一級地區(qū)：戶數(shù)在15戶或以下的區(qū)段；二級地區(qū)：戶數(shù)在15戶以上、100戶以下的區(qū)段；三級地區(qū)：戶數(shù)在100戶或以上的區(qū)段，包括市郊居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、發(fā)展區(qū)以及不夠四級地區(qū)條件的人口稠密區(qū)四級地區(qū)：系指四層及四層以上樓房（不計地下室層數(shù)）普通集中、交通頻繁、地下設施多的地區(qū)。地區(qū)等級強度設計系數(shù)一級地區(qū)0.72二級地區(qū)0.6三級地區(qū)0.5四級地區(qū)0.4穿越鐵路、公路及輸氣站內(nèi)管道的強度設計系數(shù)管道及管段地區(qū)等級一二三四強度設計系數(shù)（F）有套管穿越Ⅲ、Ⅳ級公路的管道0.720.60.50.4無套管穿越Ⅲ、Ⅳ級公路的管道0.60.50.50.4有套管穿越Ⅰ、Ⅱ級公路，高速公路、鐵路的管道0.60.60.50.4輸氣站內(nèi)管道及其上、下游各200m管道，截斷閥室管道及其上、下游各50m管道（其距離從輸氣站和閥室邊界線起算）0.50.50.50.4人群聚集場所的管道0.50.50.50.4管道跨越強度設計系數(shù)工程等級大型中型小型設計系數(shù)跨越工程分類輸氣輸油輸氣輸油輸氣輸油甲類0.40.450.450.50.50.55乙類0.50.550.550.60.60.65工程等級總跨長度（m）主跨長度（m）大型≥300≥150中型≥100～<300≥50～<150小型<100<50管道跨越工程等級(按下表條件之一劃分等級)管道在施工及運行過程中，存在溫度差，如果管道能夠自由地熱脹冷縮，管道將不受力。而當管道受到某種約束時，管道就要受力?！S向1-4

軸向應力與變形軸向應力的兩個分量：溫度分量——熱應力壓力分量——泊松效應1.熱應力——兩端固定管道(假設△T>0)熱伸長熱應力LPL作用力P與管長無關，與截面積有關。P為負——拉支座P為正——推支座σ與管長和截面積無關，與管材、溫度和約束條件有關。σ為負——拉應力σ為正——壓應力2.泊松效應及軸向應力由環(huán)向應力的泊松效應產(chǎn)生的軸向應變?yōu)?管道完全嵌固時，總的軸向應力：總的軸向應變（如果可以自由伸縮）：“-”表示該軸向應變?yōu)閴嚎s應變。對于直線埋地管道，在進入土壤一定距離后就因土壤摩擦力的積累而不能產(chǎn)生軸向位移，可視為完全嵌固。例1-3：直徑762mm管道，壁厚22.2mm，內(nèi)壓5MPa，溫度升高了90℃。管材的彈性模量E=210Gpa，泊松系數(shù)=0.3，線膨脹系數(shù)。試按上述公式計算軸向應力的泊松效應分量、溫度分量以及總的軸向應力。解：泊松效應的應力分量為

溫度應力分量總的軸向應力為3.出（入）土段的管道的熱伸縮與應力ll

出入土點處（a、a′點）與管道與土壤之間摩擦力為0，該處可自由伸縮，變形量最大。往埋土段延伸，管道與土壤之間摩擦力越來越大，線性分布，到b、b′點處約束。過渡段，變形量Δl=?假設管道周圍摩擦力相等，并且忽略管道自重，則管道單位長度的摩擦阻力為：

b,b′點處，摩擦阻力與熱伸縮力相平衡為自由伸縮量的一半大小取決于土質(zhì)和管道的性質(zhì)土壤種類摩擦系數(shù)砂土:

密實和中等密實的礫質(zhì)砂和粗砂密實的中等粒度的砂子中等密度的中粒砂密實細砂中等密度的細砂密實粉砂中等密實的粉砂亞粘土:

密實的亞粘土塑性亞粘土粘土:

密實的粘土塑性粘土0.70/0.650.72/0.600.65/0.600.65/0.550.57/0.550.62/0.500.53/0.400.55/0.350.47/0.250.60/0.400.50/0.25所引發(fā)的不利后果管道進入閥室或泵房，會對設備造成推擠，損害設備固定支墩補償器解決辦法1-5固定支墩的設計計算固定支墩的作用是防止管線的軸向運動。固定支墩保護：地下管道出土進入泵房或閥室；管道彎頭、三通。

固定支墩設計上需考慮的問題支墩受力平衡支墩不傾覆支墩下面的土壤有足夠的耐壓強度一、固定支墩的受力平衡計算

設計時，應保證支墩受力滿足以下條件：管道作用在固定支墩上的推力（完全錨固且被保護段完全自由）固定端自由端推力折減系數(shù)

考慮到固定支墩不可能絕對固定(設備和管件也能夠承受一定推力)，允許稍有位移，這樣使推力大大減小。工程上使用折減系數(shù)。折減系數(shù)取1/3~1/2。視具體情況而定：重要出土處，取1/2~1/3；跨越或架空管出土處，取1/2；水下穿越兩端的彎頭處，取1/3；地下埋土彎頭（拐角15），取1/3~1/2實際推力支墩的阻力（摩擦力+土壓力）在支墩的四個面上存在土壤的摩擦力：上部的垂直壓力為墩頂土重底部的垂直反力為墩頂土重和墩本身的重量左右面上的土壓力支墩前后面上的土壓力：支墩后面受主動土壓力支墩前面受被動土壓力土壓力按擋土結(jié)構(gòu)的位移方向、大小及土體所處的極限平衡狀態(tài)，分為：1.靜止土壓力擋土結(jié)構(gòu)在土壓力的作用下，其本身不發(fā)生變形和任何位移（移動或轉(zhuǎn)動），土體處于彈性平衡狀態(tài)則作用在擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力稱為靜止土壓力。2.主動土壓力擋土結(jié)構(gòu)在土壓力作用下向離開土體的方向移動，當土體達到主動極限平衡狀態(tài)時，作用在擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力稱為主動土壓力。3.被動土壓力擋土結(jié)構(gòu)在土壓力作用下向土體方向移動，使土體達到被動極限平衡狀態(tài)時的土壓力稱為被動土壓力。支墩阻力的計算公式二、支墩的傾覆校核要求支墩在水平推力作用下不沿支墩的前邊緣傾覆。式中：k—安全系數(shù)，一般取k=1.2。促使支墩傾覆的力矩抗傾覆反向力矩：土重和自重對前邊緣力矩三、地耐壓校核校核條件：最大地基反力不超過土壤的允許壓力最小反力不小于零垂直作用在地基上的總荷載為支墩的前邊緣對地基的壓力最大，以表示，后邊緣壓力最小，以表示。在水平推力的作用下，對于支墩地基，相當于使垂直荷載產(chǎn)生了一個偏心，偏心距e為：對支墩中點取力矩平衡可得：聯(lián)立以上兩式得：固定墩優(yōu)化設計優(yōu)化目標：固定墩體積最?。粌?yōu)化參數(shù)：固定墩位置、許可位移、形狀、尺寸；約束條件：固定墩的摩擦力＋反力≥最小設計推力；固定墩的傾覆穩(wěn)定性；固定墩的軸向和橫向斷裂強度保持固定墩后背及地基土壤彈性。1-6

管道彎曲應力管子在安裝期間會產(chǎn)生彎曲。當敷設在不平地面（尤其是海底）或出現(xiàn)懸空時，管子也會產(chǎn)生彎曲應力。彎曲應力可以和管道的軸向應力迭加。自由伸縮狀態(tài)下內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應力嵌固狀態(tài)熱脹冷縮產(chǎn)生的軸向應力

簡單彎曲：管道無位移，無熱脹冷縮無位移——不考慮內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應力無熱脹冷縮——不考慮熱應力和泊松效應一、管道簡單彎曲時的彎曲應力由圖中可以看出，管道彎曲時管壁外緣纖維伸長量為：分析適用條件：彈性范圍內(nèi)的冷彎曲可確定管道在彈性范圍內(nèi)允許的最小彎曲半徑二、管道能作橫向自由移動時的彎曲應力彎曲管道的軸向應力由內(nèi)壓引起的橫向荷載適用范圍：由于該橫向荷載的存在，會導致軸向增加一附加的拉應力，同時溫度應力會較直管段有所減少由于該橫向荷載的存在，會導致側(cè)向位移，若側(cè)向位移過大會損壞管道，需設置固定墩塊或其它錨固措施維持管道穩(wěn)定。三、管道下沉段的彎曲應力地基沉降，發(fā)生在新建公路、鐵路處、嚴重沖蝕段及凍土區(qū)。管道下沉將使管子彎曲并同時使軸線拉長。彎曲半徑方程（勾股定理）彎曲段的曲率半徑與軸向伸長——組合變形（由于h<<l，第二項可忽略）彎曲段的彎曲應力和拉伸應力組合應力1-7

彎管當彈性敷設不能滿足設計要求時，在管道轉(zhuǎn)角處，需采用（冷）彎管或彎頭敷設；彎管一般現(xiàn)場加工?，F(xiàn)場冷彎彎管的最小彎曲曲率半徑（mm）

公稱管徑D（mm）最小曲率半徑R備注≤30018DD為管外徑。冷彎彎管不必增加壁厚，但彎管兩端宜有2m左右的直管段。35021D40024D45027D≥50030D彎管現(xiàn)場施工圖一、彎管在內(nèi)壓作用下的應力彎管是一雙重曲率面所限制的殼體，所以彎管在內(nèi)壓作用下的應力狀態(tài)與直管有本質(zhì)的不同。1.內(nèi)壓作用下彎管的環(huán)向應力應力增強系數(shù)應力縮減系數(shù)彎管壁厚彎管的壁厚一般應比直管段要厚。2.內(nèi)壓作用下彎管的軸向應力根據(jù)彎管兩端面上所受液壓的合力和彎管管壁上軸向應力的合力平衡，得：彎管在內(nèi)壓作用下的軸向應力與直管相同。1-8

三通主管與支管的連接。兩個圓柱殼體呈直角（也可以是斜角）的組合件。制造方法熱沖壓法焊接專門的補強圈和無補強圈的焊接三通由于三通處曲率半徑發(fā)生突然變化以及方向的改變，導致在主支管接管處出現(xiàn)相當大的應力集中現(xiàn)象，?？杀韧暾艿赖膽Ω叱?~7倍。等面積補強法——《輸氣管道工程設計規(guī)范》（GB50251-94）A3：補強圈、焊縫等所占的補強面積。

補償圈寬度LW補償圈厚度管道或管道附件的開孔補強應符合下列規(guī)定：

在主管上直接開孔焊接支管：當支管外徑小于0.5倍主管外徑時，可采用補強圈進行局部補強，也可增加主管和支管壁厚進行整體補強。支管和補強圈的材料，宜與主管材料相同或相近。當相鄰兩支管中心線的間距小于兩支管開孔直徑之和，但大于或等于兩支管直徑之和的2/3時，應進行聯(lián)合補強或增大主管管壁厚度。當進行聯(lián)合補強時，支管中心線之間的補強面積不得小于兩開孔所需總補強面積的1/2。當相鄰

兩支管中心線的間距小于兩支管開孔直徑之和的2/3時，不得開孔。當支管直徑小于或等于50mm時，可不補強。當支管外徑等于或大于1/2倍主管外徑時，應采用三通或采用全包型補強。開孔邊緣距主管焊縫宜大于主管壁厚的5倍。1-9

管道的強度校核

由環(huán)向應力確定管道的壁厚；管道上一點的應力狀態(tài)

環(huán)向應力：內(nèi)、外壓產(chǎn)生；

軸向應力：內(nèi)壓、外壓、熱膨脹以及其它力和彎矩等。根據(jù)不同的強度理論，對上述應力進行綜合。常用的強度理論Tresca屈服條件，也稱為最大剪應力條件

Mises屈服條件，也稱為最大應變能條件管道的工程設計規(guī)范常采用Tresca屈服條件。校核方法一般情況，按最大剪應力屈服條件計算當量應力對于受約束的管道應按按Tresca屈服條件計算當量應力，當由于內(nèi)壓和溫度變化產(chǎn)生的軸向應力為壓應力(負值)時，應滿足下述條件：強度條件習題：某一級地區(qū)輸氣管道的設計壓力10MPa，直徑1219mm；管材為X70、彈性模量210GPa、泊松比0.3、熱脹系數(shù)1.2×10-51/℃；管道安裝時的溫度為0℃、最高操作溫度60℃；一級地區(qū)強度設計系數(shù)0.72，焊縫系數(shù)1.0，溫度折減系數(shù)取1.0。試設計管道的壁厚并校核其強度。

習題：某一級地區(qū)輸氣管道的設計壓力10MPa，直徑1219mm；管材為X70、彈性模量210GPa、泊松比0.3、熱脹系數(shù)1.2×10-51/℃；管道安裝時的溫度為60℃、最高操作溫度0℃；一級地區(qū)強度設計系數(shù)0.72，焊縫系數(shù)1.0，溫度折減系數(shù)取1.0。試設計管道的壁厚并校核其強度。

管道與儲罐強度課程思考題第一章地下管道埋地管道的設計中怎樣進行載荷分類，為什么需要載荷分類。管道的環(huán)向應力計算公式有哪兩種，常用的是那種，寫出其表達式。輸油管道的設計系數(shù)一般取多少，怎樣選取輸氣管道的設計系數(shù)。什么是管道的規(guī)定最低屈服強度，舉出幾種強度級別管道的規(guī)定最低屈服極限。管道產(chǎn)生軸向應力或變形的原因是什么？怎