第一章_地下管道

1、第1章 地下管道 干线（长输）管道中98%是地下； 管道地下敷设的好处施工简单、占地面积小，节省投资，容易受到保护，不影响交通和农业耕作 管道过沼泽、高地下水位和重盐碱土地区时，经技术经济比较后，可采用土堤敷设。1-1 荷载和作用力 荷载是管道及其附件的强度设计依据。 实际中存在多种载荷，各具不同特征，造成的材料破坏形式和机理也存在差异。 荷载分类：永久荷载可变荷载偶然荷载 设计时组合。永久荷载（恒荷载） 输送介质的内压力； 钢管及其附件、绝缘层、保温层、结构附件等的自重； 输送介质的重量； 横向和竖向的土压力； 静水压力和水浮力； 温度应力以及静止流体由于受热膨胀而增加的力； 由于连接构件相

2、对位移而产生的作用力。 可变荷载（活荷载） 试运行时的水重量； 附在管道上的冰雪荷载； 由于内部高落差或风、波浪、水流等外部因素产生的冲击力； 车辆及行人荷载； 清管荷载； 检修荷载； 施工过程中的各种作用力。偶然荷载 位于地震基本烈度七度及七度以上地区的管道，由地震引起的活动断层位移、沙土液化、地基滑坡施加在管道上的力； 由于振动和共振所引起的应力； 冻土或膨胀土中的膨胀压力； 沙漠中沙丘移动的影响； 地基沉降附加在管道的荷载。 1-2 环向应力ppDD环向应力hpD 22pDhBarlow公式 内压是影响管道的最主要荷载 内压产生轴向应力和环向应力 由环向应力确定壁厚轴向应力精确解：442

3、pDDDpAFa222224dDpddDFa近似解Fap例1-1：管道外径273mm，壁厚9mm，内压10Mpa，分别按精确值和薄壁近似公式计算管道的轴向应力，并比较两种计算方法的差别。解：已知： 轴向应力精确解： MPapmmdmmmmD10,255,9,273MPadDpda4 .6825527325510222222MPapDa3 .7594273104两者的相对误差为10.8近似值（薄壁）： 管道轴向应力近似值的保守性随比值Dt增大而增大，一般而言，如果Dt比值小于20，则应按厚壁管考虑。厚壁圆筒有径向应力ab1p2p22221221222222222122122222()()()()

4、ra pb pa bppbabara pb pa bppbabar仅有内压当量应力的最大值在内壁221222221222(1)(1)ra pbbara pbbarsrrabbpa22222)(21-3 许用应力与壁厚设计管径、压力由工艺确定，壁厚由强度确定。sK 式中: 许用应力 许用应力焊缝系数 钢管最低屈服强度S设计系数，按标准取值 K钢管的最低屈服强度和焊缝系数（一）钢管标准名称钢号或钢级最低屈服强度（Mpa）焊缝系数备注输送流体用无缝钢管Q295295（d16mm为285）1d为钢管公称壁厚GB/T 8163-1999Q345295（d16mm为315）20245（d16mm为235）

5、石油天然气工业输送钢管交货条件第1部分：A 级 钢 管 G B / T 9711.1-1997L175(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)钢管的最低屈服强度和焊缝系数（二）钢管标准名称钢号或钢级最低屈服强度(Mpa）焊缝系数备注石油天然气工业输送钢管交货条件第2部分：B级钢管

6、GB/T 9711.1-1999L245NB245440*1B级管的质量和试验要求高于A级管L245MBL290NB290440*L290MBL360NB360510*L360QBL360MBL415NB415565*L415QBL415MBL450QB450570*L450MBL485QB485605*L485MBL555QB555675*L555MBNB为无缝管和焊接管用钢，QB为无缝管用钢，MB为焊接管用钢；*为0.5%应变的应力值。输油管道直管段的壁厚设计公式 2pD式中: 壁厚，mmp设计压力，MPaD管道直径，mm钢管的许用应力，MPa 输气管道壁厚设计公式 FtpDs2式中: p

7、设计压力，MPaD管道直径，mmF设计系数 t温度折减系数，当温度低于120C时，取 t=1.0 钢管的最低屈服强度，MPas焊缝系数输气管道的强度设计系数 地区等级（沿管道中心线两侧各200m范围内，任意划分成长度为2km并能包括最大聚居户数的若干地段 ）一级地区：户数在15户或以下的区段；二级地区：户数在15户以上、100户以下的区段；三级地区：户数在100户或以上的区段，包括市郊居住区、商业区、工业区、发展区以及不够四级地区条件的人口稠密区 四级地区：系指四层及四层以上楼房（不计地下室层数）普通集中、交通频繁、地下设施多的地区。地区等级强度设计系数一级地区0.72二级地区0.6三级地区0

8、.5四级地区0.4穿越铁路、公路及输气站内管道的强度设计系数 管道及管段地区等级一二三四强度设计系数（F）有套管穿越、级公路的管道0.7无套管穿越、级公路的管道0.4有套管穿越、级公路，高速公路、铁路的管道0.4输气站内管道及其上、下游各200m管道，截断阀室管道及其上、下游各50m管道（其距离从输气站和阀室边界线起算）0.4人群聚集场所的管道0.4管道跨越强度设计系数 工程等级大型中型小型设计系数跨越工程分类输气输油输气输油输气输油甲类0.40.450.45乙类0.50.550.5

9、5工程等级总跨长度（m）主跨长度（m）大型300500中型10030050150小型1000)12TT式中：管道的安装温度； 管道的工作温度。P热伸长LTTL12PLLEA 12TTEAEALLP12TTEAP热应力2.泊松效应泊松效应产生的轴向应力为拉应力:轴向应力的两个分量： 压力分量泊松效应； 温度分量温度应力。管道完全嵌固时，总的轴向应力：总的轴向应变（如果可以自由伸缩）：TEhtpLTEpDa22pDp例1-3：直径762mm管道，壁厚22.2mm，内压5MPa，温度升高了90。管材的弹性模量E=210Gpa，泊松系数=0.3，线膨胀系数。试按上述公式计算轴向应力

10、的泊松效应分量、温度分量以及总的轴向应力。解：泊松效应的应力分量为 MPapDap2 .772 .222762153 . 02温度应力分量总的轴向应力为MPaTEat8 .22690102 . 11021053MPaatapa6 .1498 .2262 .773.出（入）土段的管道应力与变形 假设管道周围摩擦力相等，并且忽略管道自重，则管道单位长度的摩擦阻力为：过渡段 l摩擦阻力与热伸缩力相平衡(两端无反力) AlfasaPtEfAlsDpf EAfLdxEAfxlL220土壤种类摩擦系数砂土: 密实和中等密实的砾质砂和粗砂 密实的中等粒度的砂子 中等密度的中粒砂 密实细砂 中等密度的细砂 密

11、实粉砂 中等密实的粉砂亚粘土: 密实的亚粘土 塑性亚粘土粘土: 密实的粘土 塑性粘土0.70/0.650.72/0.600.65/0.600.65/0.550.57/0.550.62/0.500.53/0.400.55/0.350.47/0.250.60/0.400.50/0.251-5 固定支墩的设计计算固定支墩的作用是防止管线的轴向运动。固定支墩保护：地下管道出土进入泵房或阀室；管道弯头、三通。 固定支墩设计上的考虑支墩受力平衡支墩不倾覆支墩下面的土壤有足够的耐压强度一、固定支墩的受力平衡计算 0HHbaaF管道作用在固定支墩上的推力（完全锚固且被保护段完全自由）p安装温度1T2T运行温度

12、泊松系数设计压力p轴向力aF横截面面积A弹性模量E膨胀系数固定端自由端24)(12pDpDTTEAFa1241pD42pDTE推力折减系数 考虑到固定支墩不能绝对固定，稍有位移将使推力大大减小。工程上使用折减系数。折减系数取1/31/2。视具体情况而定： 重要出土处，取1/21/3； 跨越或架空管出土处，取1/2； 水下穿越两端的弯头处，取1/3； 地下埋土弯头（拐角15），取1/31/2aaaFFF)2131(实际推力土压力 按挡土结构的位移方向、大小及土体所处的极限平衡状态，分为：1.静止土压力 挡土结构在土压力的作用下，其本身不发生变形和任何位移（移动或转动），土体处于弹性平衡状态则作用

13、在挡土结构上的土压力称为静止土压力。2.主动土压力 挡土结构在土压力作用下向离开土体的方向移动，当土体达到主动极限平衡状态时，作用在挡土结构上的土压力称为主动土压力。3.被动土压力 挡土结构在，使土体达到被动极限平衡状态时的土压力称为被动土压荷载作用下向土体方向移动力。支墩的阻力 在支墩的四个面上存在土壤的摩擦力： 上部的垂直压力为墩顶土重 底部的垂直反力为墩顶土重和墩本身的重量 左右面上的土压力00sH ab000sH abHab200024522sHHtgHb 支墩前后面上的土压力： 支墩后面受主动土压力 支墩前面受被动土压力20004522sHHtgHa20004522sHHtgHa支墩

14、阻力的计算公式1.2KK安全系数，一般取；折减系数。2000000202000222452124545222sssTH abHabHHHtgbHHHa tgtg3000.5 0.62.4 / t mso支墩与土壤的摩擦系数，一般取；土壤的容重；支墩材料容重，对于混凝土取；土壤的内摩擦角。aTK F校核条件：二、支墩的倾覆校核要求支墩在水平推力作用下不沿支墩的前边缘倾覆。HkFbHababHas20000HHbaaF式中：k安全系数，一般取k=1.2。三、地耐压校核min0max00式中允许的地耐压力。校核条件：支墩的地基反力不超过土壤的允许压力最小反力不小于零，即:202020202055 /

15、45 /30 35 /20 30 /10 45 /t mt mt mt mt m砾砂、粗砂中砂细砂 粉砂粘性土000BsGH abHabminmax3babminmax21aFHbHababHGsB000e垂直作用在地基上的总荷载为在水平推力 的作用下，对于支墩地基，相当于使垂直荷载产生了一个偏心，偏心距e为：aBF HeGaF支墩的前边缘对地基的压力最大，以 表示，后边缘压力最小，以 表示。maxmin对支墩中点取力矩平衡可得：联立以上两式得：maxmin2BabGmaxmin223BbbabG emax61BGeabbmin61BGeabb固定墩优化设计 优化目标：固定墩体积最小； 优化参

16、数：固定墩位置、许可位移、形状、尺寸； 约束条件： 固定墩的摩擦力反力 最小设计推力； 固定墩的翻倾稳定性； 固定墩的轴向和横向断裂强度 保持固定墩后背及地基土壤弹性。1-6 弹性敷设管道自然弯曲 管子在安装期间会产生弯曲。 当敷设在不平地面（尤其是海底）或出现悬空时，管子也会产生弯曲应力。 弯曲应力可以和管道的轴向应力迭加。1、管道简单弯曲时的弯曲应力由图中可以看出，管道弯曲时管壁外缘纤维伸长量为：21211()2()2222bblllDlRlRDDlRRlDlREDER b其中：；则应变为：故管道的弯曲应力1l2lRD2、管道能作横向自由移动时的弯曲应力弯曲管道的轴向应力222161515

17、1mmTEpDpDb)1 ()21 (42lDm2lf由内压引起的横向荷载pRDq42适用范围：2513、管道下沉段的弯曲应力 地基沉降，发生在新建公路、铁路处、严重冲蚀段及冻土区。 管道下沉将使管子弯曲并同时使轴线拉长。弯曲半径方程442)22(llhhR22241hlhR弯曲段的曲率半径与轴向伸长组合变形（经验公式，由于hl, 第二项可忽略）442253238lhlhll弯曲段的弯曲应力和拉伸应力REDb2283xlEhEEll组合应力2xblh38E2RED总1-7 弯管在管道转角处，采用了具有一定曲率的弯管(弯头)；油气管道建设中，需要在现场制作弯管。现场冷弯弯管的最小弯管半径（mm）

18、 公称管径（mm） 最小弯管半径R备注30018D D为管外径。冷弯弯管不必增加壁厚，但弯管两端宜有2m左右的直管段。35021D40024D45027D50030D曲管在内压作用下的应力 弯管是一双重曲率面所限制的壳体，所以弯管在内压作用下的应力状态与直管有本质的不同。1.内压作用下弯管的环向应力2.内压作用下弯管的轴向应力21pr0000,pr2或18时，即水平弯管的最上和最下处，和直管的环向应力相同。dr0Ayx1-8 三通 主管与支管的连接。 两个圆柱壳体呈直角（也可以是斜角）的组合件。 制造方法热冲压法 焊接 专门的补强圈和无补强圈的焊接三通 由于三通处曲率半径发生突然变化以及方向的

19、改变，导致在主支管接管处出现相当大的应力集中现象，常可比完整管道的应力高出57倍。 等面积补强法输气管道工程设计规范（GB 50251-94） RAAAA321hHdA1LAhB 22hRdAA3：补强圈、焊缝等所占的补强面积。 管道或管道附件的开孔补强应符合下列规定： 在主管上直接开孔焊接支管：当支管外径小于0.5倍主管外径时，可采用补强圈进行局部补强，也可增加主管和支管壁厚进行整体补强。支管和补强圈的材料，宜与主管材料相同或相近。 当相邻两支管中心线的间距小于两支管开孔直径之和，但大于或等于两支管直径之和的2/3时，应进行联合补强或增大主管管壁厚度。当进行联合补强时，支管中心线之间的补强面

20、积不得小于两开孔所需总补强面积的1/2。当相邻 两支管中心线的间距小于两支管开孔直径之和的2/3时，不得开孔。 当支管直径小于或等于50mm时，可不补强。 当支管外径等于或大于1/2倍主管外径时，应采用三通或采用全包型补强 。 开孔边缘距主管焊缝宜大于主管壁厚的5倍。1-9 管道的强度校核 由环向应力确定管道的壁厚； 管道上一点的应力状态12 环向应力：内、外压产生； 轴向应力：内压、外压、热膨胀以及其它力和弯矩等。 根据不同的强度理论，对上述应力进行综合。常用的强度理论 Tresca屈服条件，也称为最大剪应力条件 Mises屈服条件，也称为最大应变能条件 23123222121eq管道的工程

21、设计规范常采用Tresca屈服条件习题：某一级地区输气管道的设计压力10MPa，直径1219mm；管材为X70、弹性模量210GPa、泊松比0.3、热胀系数1.210-5 1/；管道安装时的温度为0、最高操作温度60；一级地区强度设计系数0.72，焊缝系数1.0，温度折减系数取1.0。试设计管道的壁厚并校核其强度。 管道与储罐强度课程思考题第一章 地下管道埋地管道的设计中怎样进行载荷分类，为什么需要载荷分类。管道的环向应力计算公式有哪两种，常用的是那种，写出其表达式。输油管道的设计系数一般取多少，怎样选取输气管道的设计系数。什么是管道的规定最低屈服强度，举出几种强度级别管道的规定最低屈服极限。

22、管道产生轴向应力或变形的原因是什么？怎样计算埋地直管段中的轴向应力？埋地管道中的固定支墩的作用是什么？从哪几个方面进行固定支墩的设计计算？怎样计算管道对固定支墩的推力？管道中弯曲应力与弯曲曲率的关系怎样？怎样计算管道下沉段的弯曲应力？分析管道中一点的应力状态，说明每个应力分量产生的原因。怎样进行管道中组合应力校核？管道与储罐强度课程大作业国内外管道与储罐事故调研及发生原因分析。国内外管道与储罐事故调研及发生原因分析。要求：调研国内外历史上重大事故及近年来发生事故的现状、趋势，分析总结归类事故发生的原因。提出自己关于降低事故发生率的建议。我国管道及储罐设计规范中与管道及储罐强度相关内容总结。我国

23、管道及储罐设计规范中与管道及储罐强度相关内容总结。要求：查询我国管道及储罐设计规范中与本课程已讲授部分相关的内容，并进行一定的说明。埋地管道强度设计方法。埋地管道强度设计方法。要求：总结埋地油气管道直管段和弯头的应力计算方法和设计要求。埋地管道固定墩优化设计方法。埋地管道固定墩优化设计方法。要求：叙述埋地管道固定墩优化设计目标、约束条件、优化参数，埋地管道及固定墩系统的受力分析，优化效果。架空地上管道强度设计方法。架空地上管道强度设计方法。要求： 架空地上管道强度设计内容、参量、方法。海底管道强度设计方法。海底管道强度设计方法。要求：海底管道（海床部分）强度设计内容、参量、方法。管道及油罐稳定

24、性设计方法及内容。管道及油罐稳定性设计方法及内容。要求：管道及油罐稳定性设计内容、参量、方法。地震作用在管道上载荷与管道强度。地震作用在管道上载荷与管道强度。要求：分地震波、土壤液化、地层断裂带三种情况分析地震时管道所受载荷及强度设计方法。大型浮顶油罐罐壁强度设计方法。大型浮顶油罐罐壁强度设计方法。要求：分析比较我国规范与美国API650规范对大型浮顶油罐罐壁强度设计方法。并完成以下算例：储罐的直径D=80m，高度18m，材质SPV490Q，许用应力为260MPa，壁板宽度2400mm，设计储液高度19.5m，试根据SH3046标准计算罐壁板的计算厚度。大型浮顶油罐罐底及浮顶强度设计方法。大型

25、浮顶油罐罐底及浮顶强度设计方法。要求：总结我国规范对大型浮顶油罐罐底及浮顶强度设计方法。工程力学课程内容在本课程中应用总结。工程力学课程内容在本课程中应用总结。要求：总结并举例说明本课程中应用到的工程力学课程的基础知识。 管道强度设计方法主要包括：（1）基于应力的设计方法；（2）基于应变的设计方法；（3）基于可靠性的设计方法。基于应变的设计方法：基于应变的设计方法：（1）对材料和各种受力状态下管道破坏形式的认识逐步加深）对材料和各种受力状态下管道破坏形式的认识逐步加深,发发现在不同状态下某个方向上的管道应变即使超过现在不同状态下某个方向上的管道应变即使超过0.5%(最小屈服最小屈服强度所对应的

26、应变强度所对应的应变)也不会发生破坏也不会发生破坏,尤其是当管道受到温差、位尤其是当管道受到温差、位移等形式荷载的作用。移等形式荷载的作用。（2）由管材的应力）由管材的应力-应变特性可知，管道应力在达到屈服应力之应变特性可知，管道应力在达到屈服应力之后，管道的反应只能用应变来衡量，基于这个原因，以应变为基后，管道的反应只能用应变来衡量，基于这个原因，以应变为基础的设计准则和方法开始被提出。础的设计准则和方法开始被提出。基于应变的设计方法基于应变的设计方法 sF起源：起源：当管道承受概率小、产生大应力的载荷时（如各种地质灾害），如何当管道承受概率小、产生大应力的载荷时（如各种地质灾害），如何 设

27、计管道保证完整性。设计管道保证完整性。基于应变的强度设计方法适用于：基于应变的强度设计方法适用于：（1）结构受位移控制的载荷作用；）结构受位移控制的载荷作用；（2）该载荷极可能会造成构件进入弹塑性状态；）该载荷极可能会造成构件进入弹塑性状态；（3）过大的应变会使构件达到某种危险状态（如拉断、屈曲）。）过大的应变会使构件达到某种危险状态（如拉断、屈曲）。基于应变的强度设计方法表达式：基于应变的强度设计方法表达式：基于应变的强度设计方法研究内容包括：基于应变的强度设计方法研究内容包括：（1）突发地质灾害时管道的应变；）突发地质灾害时管道的应变；（2）管材的极限应变；）管材的极限应变；（3）设计系数

28、。）设计系数。n 管道模型管道模型ELBOWELBOW单元单元n 管材模型管材模型R-OR-O本构关系本构关系n 管管- -土作用模型土作用模型PSIPSI单元单元 单元刚度单元刚度ASCEASCE指南指南n 载荷条件载荷条件断层位移断层位移11nsaEn环向全壳积分，准确描述管道等薄壁结构复杂变形，适于管道截面椭圆化、扭曲或翘曲等问题，内压、温度 Strike-slipNormalReversePossible VerticalComponentPossible Strike-slipComponentPossible Strike-slipComponentStrike-slipNorma

29、lReversePossible VerticalComponentPossible Strike-slipComponentPossible Strike-slipComponent管线变形后形状 算例算例西气东输二线西气东输二线管道管道1219 22mm，埋深，埋深2.5m，内压，内压12MPa；管材；管材X80，弹性模量，弹性模量 MPa。管沟管沟管沟底宽管沟底宽1.8m；管沟坡度；管沟坡度1：10。 土体土体管沟土：砂土，密度管沟土：砂土，密度18KN/m3，内摩擦角，内摩擦角30，弹性模量，弹性模量30MPa 。周围土：周围土：21.8m13.3m，弹性模量，弹性模量500MPa。 51006. 2管道主要受轴向压应力作管道主要受轴向压应力作用；用；管道最大应变出现在断层管道最大应变出现在断层两侧两侧2020米范围内，米范围内，0.65%0.65%。断层断层逆断层，断层倾角逆断层，断层倾角45，垂直位移，垂直位移1.41m。基于可靠性的设计方法基于可靠性的设计方法传统的设计方法是安全（设计）系数法，它的不足之