管道第一章之地下管道总结

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ppDDσσ环向应力Barlow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：近似解例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：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D／t增大而增大，一般而言，如果D／t比值小于20，则应按厚壁管考虑。厚壁圆筒——有径向应力仅有内压当量应力的最大值值在内壁1-3许用应力与壁厚设设计管径、压力由工艺艺确定，壁厚由强强度确定。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，按标准取值

钢管的最低屈服强强度和焊缝系数（（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输气管道壁厚设计计公式式中:—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—焊缝系数输气管道的强度设设计系数地区等级（沿管道道中心线两侧各200m范围内，任意划分分成长度为2km并能包括最大聚居居户数的若干地段段）一级地区：户数在在15户或以下的区段；；二级地区：户数在在15户以上、100户以下的区段；三级地区：户数在在100户或以上的区段，，包括市郊居住区区、商业区、工业业区、发展区以及及不够四级地区条条件的人口稠密区区四级地区区：系指指四层及及四层以以上楼房房（不计计地下室室层数））普通集集中、交交通频繁繁、地下下设施多多的地区区。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穿越铁路路、公路路及输气气站内管管道的强强度设计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管道跨越越强度设设计系数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≥500中型≥100～<300≥50～<150小型<100<50管道跨越越工程等等级(按下表条条件之一一划分等等级)1-4轴向应力力1.热应力——两端固定定管道(假设△T>0)P热伸长热应力2.泊松效应应泊松效应应产生的的轴向应应力为拉拉应力:轴向应力力的两个个分量：：压力分量量——泊松效应应；温度分量量——温度应力力。管道完全全嵌固时时，总的的轴向应应力：总的轴向向应变（（如果可可以自由由伸缩））：例1-3：直径762mm管道，壁壁厚22.2mm，内压5MPa，温度升升高了90℃。管材的的弹性模模量E=210Gpa，泊松系系数=0.3，线膨胀胀系数。。试按上上述公式式计算轴轴向应力力的泊松松效应分分量、温温度分量量以及总总的轴向向应力。。解：泊松松效应的的应力分分量为温度应力力分量总的轴向向应力为为3.出（入））土段的的管道应应力与变变形假设管道道周围摩摩擦力相相等，并并且忽略略管道自自重，则则管道单单位长度度的摩擦擦阻力为为：过渡段l—摩擦阻力力与热伸伸缩力相相平衡(两端无反反力)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0.70/0.650.72/0.600.65/0.600.65/0.550.57/0.550.62/0.500.53/0.400.55/0.350.47/0.250.60/0.400.50/0.251-5固定支墩墩的设计计计算固定支墩墩的作用用是防止止管线的的轴向运运动。固定支墩墩保护：：地下管管道出土土进入泵泵房或阀阀室；管管道弯头头、三通通。固定支墩墩设计上上的考虑虑支墩受力力平衡支墩不倾倾覆支墩下面面的土壤壤有足够够的耐压压强度一、固定定支墩的的受力平平衡计算算管道作作用在在固定定支墩墩上的的推力力（完全全锚固固且被被保护护段完完全自自由））固定端端自由端端推力折折减系系数考虑到到固定定支墩墩不能能绝对对固定定，稍稍有位位移将将使推推力大大大减减小。。工程程上使使用折折减系系数。。折减减系数数取1/3~1/2。视具具体情情况而而定：：重要出出土处处，取取1/2~1/3；跨越或或架空空管出出土处处，取取1/2；水下穿穿越两两端的的弯头头处，，取1/3；地下埋埋土弯弯头（（拐角角15），取1/3~1/2实际推推力土压力力按挡土土结构构的位位移方方向、、大小小及土土体所所处的的极限限平衡衡状态态，分分为：：1.静止土土压力力挡土结结构在土压压力的的作用用下，，其本本身不发生生变形形和任任何位位移（移动动或转转动）），土体处处于弹弹性平平衡状状态则作用用在挡挡土结结构上上的土土压力力称为为静止止土压压力。。2.主动土土压力力挡土结结构在在土压压力作作用下下向离开土土体的的方向向移动动，当土土体达达到主动极极限平平衡状状态时，作作用在在挡土土结构构上的的土压压力称称为主主动土土压力力。3.被动土土压力力挡土结结构在在，使使土体体达到到被动动极限限平衡衡状态态时的的土压压力称称为被被动土土压荷载作作用下下向土土体方方向移移动力。支墩的阻力在支墩的四个个面上存在土土壤的摩擦力力：上部的垂直压压力为墩顶土土重底部的垂直反反力为墩顶土土重和墩本身身的重量左右面上的土土压力支墩前后面上上的土压力：：支墩后面受主主动土压力支墩前面受被被动土压力支墩阻力的计计算公式二、支墩的倾倾覆校核要求支墩在水水平推力作用用下不沿支墩墩的前边缘倾倾覆。式中：k—安全系数，一般取k=1.2。三、地耐压校校核校核条件：支支墩的地基反反力不超过土土壤的允许压压力最小反力不小小于零，即:垂直作用在地地基上的总荷荷载为在水平推力的的作用用下，对于支支墩地基，相相当于使垂直荷载产产生了一个偏偏心，偏心距距e为：支墩的前边缘缘对地基的压压力最大，以以表表示，后边缘压力最小，，以表表示。对支墩中点取取力矩平衡可可得：联立以上两式式得：固定墩优化设设计优化目标：固固定墩体积最最小；优化参数：固固定墩位置、、许可位移、、形状、尺寸寸；约束条件：固定墩的摩擦擦力＋反力≥≥最小设计计推力；固定墩的翻倾倾稳定性；固定墩的轴向向和横向断裂裂强度保持固定墩后后背及地基土土壤弹性。1-6弹性敷设管道道自然弯曲管子在安装期期间会产生弯弯曲。当敷设在不平平地面（尤其其是海底）或或出现悬空时时，管子也会会产生弯曲应应力。弯曲应力可以以和管道的轴轴向应力迭加加。1、管道简单弯曲时的的弯曲应力由图中可以看看出，管道弯弯曲时管壁外外缘纤维伸长长量为：2、管道能作横向向自由移动时时的弯曲应力力弯曲管道的轴轴向应力由内压引起的的横向荷载适用范围：3、管道下沉段的的弯曲应力地基沉降，发发生在新建公公路、铁路处处、严重冲蚀蚀段及冻土区区。管道下沉将使使管子弯曲并并同时使轴线线拉长。弯曲半径方程程弯曲段的曲率率半径与轴向向伸长——组合变形（经验公式，，由于h<<l,第二项可忽略略）弯曲段的弯曲曲应力和拉伸伸应力组合应力1-7弯管在管道转角处处，采用了具具有一定曲率率的弯管(弯头)；油气管道建设设中，需要在在现场制作弯弯管。现场冷弯弯管管的最小弯管管半径（mm）公称管径（mm）最小弯管半径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曲管在内压作作用下的应力力弯管是一双重重曲率面所限限制的壳体，，所以弯管在在内压作用下下的应力状态态与直管有本本质的不同。。1.内压作用下弯弯管的环向应应力2.内压作用下弯弯管的轴向应应力1-8三通主管与支管的的连接。两个圆柱壳体体呈直角（也也可以是斜角角）的组合件件。制造方法热冲压法焊接专门的补强圈圈和无补强圈圈的焊接三通通由于三通处曲曲率半径发生生突然变化以以及方向的改改变，导致在在主支管接管管处出现相当当大的应力集集中现象，常常可比完整管管道的应力高高出5~7倍。等面积补强法法——《输气管道工程程设计规范》（GB50251-94）A3：补强圈、焊缝缝等所占的补补强面积。管道或管道附附件的开孔补补强应符合下下列规定：在主管上直接接开孔焊接支支管：当支管管外径小于0.5倍主管外径时时，可采用补补强圈进行局局部补强，也也可增加主管管和支管壁厚厚进行整体补补强。支管和和补强圈的材材料，宜与主主管材料相同同或相近。当相邻两支管管中心线的间间距小于两支支管开孔直径径之和，但大大于或等于两两支管直径之之和的2/3时，应进行联联合补强或增增大主管管壁壁厚度。当进进行联合补强强时，支管中中心线之间的的补强面积不不得小于两开开孔所需总补补强面积的1/2。当相邻两支管中心线线的间距小于于两支管开孔孔直径之和的的2/3时，不得开孔孔。当支管直径小小于或等于50mm时，可不补强强。当支管外径等等于或大于1/2倍主管外径时时，应采用三三通或采用全全包型补强。。开孔边缘距主主管焊缝宜大大于主管壁厚厚的5倍。1-9管道的强度校校核由环向应力确确定管道的壁壁厚；管道上一点的的应力状态环向应力：内内、外压产生生；轴向应力：内内压、外压、、热膨胀以及及其它力和弯弯矩等。根据不同的强强度理论，对对上述应力进进行综合。常用的强度理理论Tresca屈服条件，也也称为最大剪剪应力条件Mises屈服条件，也也称为最大应应变能条件管道的工程设设计规范常采采用Tresca屈服条件习题：某一级级地区输气管管道的设计压压力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/℃；管道安装时时的温度为0℃、最高操作温温度60℃；一级地区强强度设计系数数0.72，焊缝系数1.0，温度折减系系数取1.0。试设计管道道的壁厚并校校核其强度。。管道与储罐强强度课程思考考题第一章地下管道埋地管道的设设计中怎样进进行载荷分类类，为什么需需要载荷分类类。管道的环向应应力计算公式式有哪两种，，常用的是那那种，写出其其表达式。输油管道的设设计系数一般般取多少，怎怎样选取输气气管道的设计计系数。什么是管道的规规定最低屈服强强度，举出几种种强度级别管道道的规定最低屈屈服极限。管道产生轴向应应力或变形的原原因是什么？怎怎样计算埋地直直管段中的轴向向应力？埋地管道中的固固定支墩的作用用是什么？从哪哪几个方面进行行固定支墩的设设计计算？怎样计算管道对对固定支墩的推推力？管道中弯曲应力力与弯曲曲率的的关系怎样？怎样计算管道下下沉段的弯曲应应力？分析管道中一点点的应力状态，，说明每个应力力分量产生的原原因。怎样进行管道中中组合应力校核核？管道与储罐强度度课程大作业国内外管道与储储罐事故调研及及发生原因分析析。要求：调研国内内外历史上重大大事故及近年来来发生事故的现现状、趋势，分分析总结归类事事故发生的原因因。提出自己关关于降低事故发发生率的建议。。我国管道及储罐罐设计规范中与与管道及储罐强强度相关内容总总结。要求：查询我国国管道及储罐设设计规范中与本本课程已讲授部部分相关的内容容，并进行一定定的说明。埋地管道强度设设计方法。要求：总结埋地地油气管道直管管段和弯头的应应力计算方法和和设计要求。埋地管道固定墩墩优化设计方法法。要求：叙述埋地地管道固定墩优优化设计目标、、约束条件、优优化参数，埋地地管道及固定墩墩系统的受力分分析，优化效果果。架空地上管道强强度设计方法。。要求：架空地地上管道强度设设计内容、参量量、方法。海底管道强度设设计方法。要求：海底管道道（海床部分））强度设计内容容、参量、方法法。管道及油罐稳定定性设计方法及及内容。要求：管道及油油罐稳定性设计计内容、参量、、方法。地震作用在管道道上载荷与管道道强度。要求：分地震波波、土壤液化、、地层断裂带三三种情况分析地地震时管道所受受载荷及强度设设计方法。大型浮顶油罐罐罐壁强度设计方方法。要求：分析比较较我国规范与美美国API650规范对大型浮顶顶油罐罐壁强度度设计方法。并并完成以下算例例：储罐的直径径D=80m，高度18m，材质SPV490Q，许用应力为260MPa，壁板宽度2400mm，设计储液高度度19.5m，试根据SH3046标准计算罐壁板板的计算厚度。。大型浮顶油罐罐罐底及浮顶强度度设计方法。要求：总结我国国规范对大型浮浮顶油罐罐底及及浮顶强度设计计方法。工程力学课程内内容在本课程中中应用总结。要求：总结并举举例说明本课程程中应用到的工工程力学课程的的基础知识。管道强度设计方方法主要包括：：（1）基于应力的设设计方法；（2）基于应变的设设计方法；（3）基于可靠性的的设计方法。基于应变的设计计方法：（1）对材料和各种种受力状态下管管道破坏形式的的认识逐步加深深,发现在不同状态态下某个方向上上的管道应变即即使超过0.5%(最小屈服强度所所对应的应变)也不会发生破坏坏,尤其是当管道受受到温差、位移移等形式荷载的的作用。（2）由管材的应力力-应变特性可知，，管道应力在达达到屈服应力之之后，管道的反反应只能用应变变来衡量，基于于这个原因，以以应变为基础的的设计准则和方方法开始被提出出。基于应变的设计计方法起源：当管道承受概率率小、产生大应应力的载荷时（（如各种地质灾灾害），如何设设计管道保证完完整性。基于应变的强度度设计方法适用用于：（1）结构受位移控控制的载荷作用用；（2）该载荷极可能能会造成构件进进入弹塑性状态态；（3）过大的应变会会使构件达到某某种危险状态（（如拉断、屈曲曲）。基于应变的强度度设计方法表达达式：基于应变的强度度设计方法研究究内容包括：（1）突发地质灾害害时管道的应变变；（2）管材的极限应应变；（3）设计系数。管道模型——ELBOW单元管材模型——R-O本构关系管-土作用模型——PSI单元单元刚度——ASCE指南载荷条件——断层位移环向全壳积分，，准确描述管道道等薄壁结构复复杂变形，适