第一章地下管道

第1章地下管道干线（长输）管道中98%是地下；管道地下敷设的优点施工简单、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。实际中存在多种荷载，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。

环向应力是由管道输送介质内压产生的。内压是影响管道强度的主要荷载之一，可产生环向应力、轴向应力、径向应力。厚壁管道：环向应力、轴向应力、径向应力薄壁管道：环向应力、轴向应力1-2

环向应力薄壁管道环向应力（Barlow公式）因此，可考虑用环向应力大小确定壁厚。该式表明：管壁厚越厚，环向应力越小，管线越不易破坏。取单位长度管道ppDD轴向应力精确解：近似解（薄壁）：薄壁管道截面系数求解也存在类似的问题例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：近似值：两者的相对误差为10.8％

管道轴向应力近似值的保守性随比值D／δ增大而增大，一般而言，如果D／δ比值小于20，则应按厚壁管考虑。上例中，若将壁厚换成14mm，相对误差可达到17.8%。厚壁管道——有径向应力径向应力环向应力若仅有内压厚壁管道环向应力校核应取最大值——内壁处。环向应力径向应力环向应力的大小与位置有关，校核时应校核最大值。比较和结论厚壁和薄壁环向应力比较（例1-2）

环向应力厚壁和薄壁计算结果误差较小环向应力和轴向应力比较（例1-1，1-2）

环向应力比轴向应力大（1倍），因此管道破坏时通常是沿着纵向开裂的。

壁厚设计时，主要应考虑环向应力，油气管道多属于薄壁管道，因此可采用薄壁管道环向应力公式计算。1-3

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。式中:

—许用应力

许用应力—焊缝系数—钢管最低屈服强度—设计系数，按规范取值

输油站外一般地段取0.72，穿越段按规范取值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（d>16mm为285）1d为钢管公称壁厚GB/T8163-1999Q345295（d>16mm为315）

20245（d>16mm为235）《石油天然气工业输送钢管交货条件第1部分：A级钢管》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)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》GB/T9711.1-1999L245NB245~440*1B级管的质量和试验要求高于A级管L245MBL290NB290~440*L290MBL360NB360~510*L360QBL360MBL415NB415~565*L415QBL415MBL450QB450~570*L450MBL485QB485~605*L485MBL555QB555~675*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式中:

—壁厚，mm—设计压力，MPa—管道直径，mm—钢管的许用应力，MPa管道出现的最高操作压力（水击）输气管道壁厚设计公式式中:

—设计压力，MPa—管道直径，mm—设计系数

—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，MPa—焊缝系数计算得到的壁厚应向上圆整至钢管的公称壁厚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0.5四级地区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Ⅲ、Ⅳ级公路的管道0.720.60.50.4无套管穿越Ⅲ、Ⅳ级公路的管道0.60.50.50.4有套管穿越Ⅰ、Ⅱ级公路，高速公路、铁路的管道0.60.60.50.4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）0.50.50.50.4人群聚集场所的管道0.50.50.50.4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0.40.450.450.50.50.55乙类0.50.550.550.60.60.65工程等级总跨长度（m）主跨长度（m）大型≥300≥150中型≥100～<300≥50～<150小型<100<50管道跨越工程等级(按下表条件之一划分等级)管道在施工及运行过程中，存在温度差，如果管道能够自由地热胀冷缩，管道将不受力。而当管道受到某种约束时，管道就要受力。——轴向1-4

轴向应力与变形轴向应力的两个分量：温度分量——热应力压力分量——泊松效应1.热应力——两端固定管道(假设△T>0)热伸长热应力LPL作用力P与管长无关，与截面积有关。P为负——拉支座P为正——推支座σ与管长和截面积无关，与管材、温度和约束条件有关。σ为负——拉应力σ为正——压应力2.泊松效应及轴向应力由环向应力的泊松效应产生的轴向应变为: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）：“-”表示该轴向应变为压缩应变。对于直线埋地管道，在进入土壤一定距离后就因土壤摩擦力的积累而不能产生轴向位移，可视为完全嵌固。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

温度应力分量总的轴向应力为3.出（入）土段的管道的热伸缩与应力ll

出入土点处（a、a′点）与管道与土壤之间摩擦力为0，该处可自由伸缩，变形量最大。往埋土段延伸，管道与土壤之间摩擦力越来越大，线性分布，到b、b′点处约束。过渡段，变形量Δl=?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：

b,b′点处，摩擦阻力与热伸缩力相平衡为自由伸缩量的一半大小取决于土质和管道的性质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0.70/0.650.72/0.600.65/0.600.65/0.550.57/0.550.62/0.500.53/0.400.55/0.350.47/0.250.60/0.400.50/0.25所引发的不利后果管道进入阀室或泵房，会对设备造成推挤，损害设备固定支墩补偿器解决办法1-5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。

固定支墩设计上需考虑的问题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

设计时，应保证支墩受力满足以下条件：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）固定端自由端推力折减系数

考虑到固定支墩不可能绝对固定(设备和管件也能够承受一定推力)，允许稍有位移，这样使推力大大减小。工程上使用折减系数。折减系数取1/3~1/2。视具体情况而定：重要出土处，取1/2~1/3；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1/3~1/2实际推力支墩的阻力（摩擦力+土压力）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土压力作用下向土体方向移动，使土体达到被动极限平衡状态时的土压力称为被动土压力。支墩阻力的计算公式二、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。式中：k—安全系数，一般取k=1.2。促使支墩倾覆的力矩抗倾覆反向力矩：土重和自重对前边缘力矩三、地耐压校核校核条件：最大地基反力不超过土壤的允许压力最小反力不小于零垂直作用在地基上的总荷载为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。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：对支墩中点取力矩平衡可得：联立以上两式得：固定墩优化设计优化目标：固定墩体积最小；优化参数：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；固定墩的倾覆稳定性；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

管道弯曲应力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。自由伸缩状态下内压产生的轴向应力嵌固状态热胀冷缩产生的轴向应力

简单弯曲：管道无位移，无热胀冷缩无位移——不考虑内压产生的轴向应力无热胀冷缩——不考虑热应力和泊松效应一、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：分析适用条件：弹性范围内的冷弯曲可确定管道在弹性范围内允许的最小弯曲半径二、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由内压引起的横向荷载适用范围：由于该横向荷载的存在，会导致轴向增加一附加的拉应力，同时温度应力会较直管段有所减少由于该横向荷载的存在，会导致侧向位移，若侧向位移过大会损坏管道，需设置固定墩块或其它锚固措施维持管道稳定。三、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（勾股定理）弯曲段的曲率半径与轴向伸长——组合变形（由于h<<l，第二项可忽略）弯曲段的弯曲应力和拉伸应力组合应力1-7

弯管当弹性敷设不能满足设计要求时，在管道转角处，需采用（冷）弯管或弯头敷设；弯管一般现场加工。现场冷弯弯管的最小弯曲曲率半径（mm）

公称管径D（mm）最小曲率半径R备注≤30018DD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。35021D40024D45027D≥50030D弯管现场施工图一、弯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应力增强系数应力缩减系数弯管壁厚弯管的壁厚一般应比直管段要厚。2.内压作用下弯管的轴向应力根据弯管两端面上所受液压的合力和弯管管壁上轴向应力的合力平衡，得：弯管在内压作用下的轴向应力与直管相同。1-8

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5~7倍。等面积补强法——《输气管道工程设计规范》（GB50251-94）A3：补强圈、焊缝等所占的补强面积。

补偿圈宽度LW补偿圈厚度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

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管道的工程设计规范常采用Tresca屈服条件。校核方法一般情况，按最大剪应力屈服条件计算当量应力对于受约束的管道应按按Tresca屈服条件计算当量应力，当由于内压和温度变化产生的轴向应力为压应力(负值)时，应满足下述条件：强度条件习题：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1.2×10-51/℃；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。

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1.2×10-51/℃；管道安装时的温度为60℃、最高操作温度0℃；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。管道产生轴向应力或变形的原因是什么？怎