基于簡(jiǎn)明支架理論的管道最大懸空長(zhǎng)度計(jì)算分析

賈 帥， 王志學(xué)， 許建華， 董一瑾

（1. 中航油京津冀物流有限公司， 天津 300000； 2. 河北工業(yè)大學(xué)， 天津 300300）

隨著油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展， 管道成為油氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞健?由于長(zhǎng)輸管道跨越范圍大、 輸送距離長(zhǎng)， 管道鋪設(shè)地理環(huán)境復(fù)雜， 各種地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)， 如山體滑坡、 洪水、 水土流失、 坍塌、 地質(zhì)不均勻沉降等造成管道的懸空； 其他工程建設(shè)如管道交叉、 道路修建等需要開挖管道造成管道懸空， 另外管道本身的維修維護(hù)也會(huì)造成管道短時(shí)間懸空狀態(tài)[1-8]。 不同情況造成管道懸空時(shí)間長(zhǎng)短不一， 懸空長(zhǎng)度也不同， 因此會(huì)造成管道變形， 如果發(fā)生塑性變形則會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷管道， 威脅管道安全[9-13]。 研究不同管道最大懸空長(zhǎng)度， 確保管道始終處于安全狀態(tài)十分必要。 準(zhǔn)確計(jì)算管道的最大懸空長(zhǎng)度， 指導(dǎo)管道的維修維護(hù)， 可為管道的搶險(xiǎn)、 第三方施工建設(shè)提供依據(jù)。

1 管道最大懸空長(zhǎng)度計(jì)算原則

按照簡(jiǎn)明支架力學(xué)理論， 把管道懸空狀態(tài)簡(jiǎn)化為兩段固定支座的簡(jiǎn)單支架， 土體對(duì)管道為硬支撐， 不考慮土的彈塑性變形， 管道載荷均勻分布。 根據(jù)《簡(jiǎn)明管道支架計(jì)算及構(gòu)造手冊(cè)》 給出一般工業(yè)管道和石油石化管道允許跨距計(jì)算公式[14-15]， 管道重力彎曲不應(yīng)超過管材的許用外載彎曲應(yīng)力， 以保證管道的安全， 這是按照管道強(qiáng)度條件下計(jì)算管道允許跨距。 同時(shí)由于管道彎曲變形會(huì)產(chǎn)生一定的撓度， 一般管道設(shè)計(jì)撓度不應(yīng)該超過15 mm， 裝置外石油石化管道撓度最大為38 mm。 根據(jù)撓度限制確定管道允許跨距， 即按照剛度計(jì)算校核。 管道最大的懸空長(zhǎng)度的計(jì)算應(yīng)按照強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件進(jìn)行， 取兩者中較小的值作為推薦的最大允許長(zhǎng)度。

2 石油石化管道最大懸空長(zhǎng)度計(jì)算

2.1 按強(qiáng)度計(jì)算

按照《簡(jiǎn)明管道支架計(jì)算及構(gòu)造手冊(cè)》 中石油化工管道相關(guān)內(nèi)容， 按強(qiáng)度計(jì)算公式為

將公式 （2）、 公式 （3）、 公式 （4） 帶入公式（1） 可得

從以上計(jì)算可以看出， 管道最大懸空長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)系數(shù)、 焊縫系數(shù)、 鋼管的材質(zhì)、 壁厚相關(guān)，同時(shí)還與輸送流體相關(guān)。

2.2 按剛度計(jì)算

按照強(qiáng)度計(jì)算的最大懸空長(zhǎng)度還應(yīng)該按照剛度進(jìn)行校核， 以保證滿足撓度變形的要求。 按剛度計(jì)算公式為：

3 實(shí)際案例計(jì)算

某輸油管道DN600 mm 管段， 材質(zhì)L415M，設(shè)計(jì)系數(shù)0.6， 直縫焊管道系數(shù)0.8， 最低屈服強(qiáng)度415 MPa， 外徑610 mm， 內(nèi)徑601.2 mm；DN500 mm 管段外徑508 mm， 內(nèi)徑500 mm， 鋼的密度7.85×103kg/m3， 油的密度0.8×103kg/m3。DN600 mm 管道按照強(qiáng)度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為20.16 m， 按剛度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為18.92 m；DN500 mm 按強(qiáng)度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為19.14 m，按剛度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為17.49 m。

某機(jī)場(chǎng)輸油管道材質(zhì)X56， 外徑323.9 mm， 內(nèi)徑316.9 mm， 壁厚7 mm， 最小屈服強(qiáng)度386 MPa，設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72， 按照強(qiáng)度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為15.77 m， 按剛度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為14.89 m。

某管道外徑323.9 mm， 內(nèi)徑317.5 mm， 壁厚6.4 mm， 材質(zhì)X52， 最小屈服強(qiáng)度358 MPa。按照強(qiáng)度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為16.84 m， 按剛度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度結(jié)果為14.65 m。

4 一般工業(yè)管道最大懸空長(zhǎng)度計(jì)算

4.1 按強(qiáng)度計(jì)算

管道單位長(zhǎng)度計(jì)算荷載等于單位長(zhǎng)度管道質(zhì)量與管道中液體質(zhì)量之和乘以重力加速度， 懸空管道處于靜止?fàn)顟B(tài)， 不考慮風(fēng)阻。

4.2 按剛度計(jì)算

將上述四種不同規(guī)格類型的管道帶入進(jìn)行計(jì)算， 結(jié)果如下： DN600 mm 管道按照強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度18.25 m， 按剛度計(jì)算為20.93 m；DN500 mm 按強(qiáng)度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為17.33 m，按剛度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為18.98 m； 管道外徑323.9 mm， 材質(zhì)X56 管道按強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為14.35 m， 按剛度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為15.16 m； 外徑323.9 mm， 材質(zhì)X52 管道按強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度15.64 m， 按剛度計(jì)算最大懸空長(zhǎng)度為14.85 m。

管道最大懸空長(zhǎng)度按照強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算， 同時(shí)進(jìn)行撓度限制， 剛度計(jì)算進(jìn)行校核， 取最小值以保證管道安全， 結(jié)果見表1。

表1 不同計(jì)算方法得到的管道最大懸空長(zhǎng)度結(jié)果對(duì)比

通過計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析得出： 管徑越大， 管道最大的容許懸空長(zhǎng)度越長(zhǎng)； 同一管徑， 壁厚較大的管道安全懸空長(zhǎng)度越長(zhǎng)。 石油石化管道與一般工業(yè)管道計(jì)算公式不同， 得出結(jié)果基本一致，兩者都是基于簡(jiǎn)明支架力學(xué)理論， 在實(shí)際工程應(yīng)用中兩種方法都適用。 該方法對(duì)管道懸空兩段的土地假設(shè)為硬支撐， 沒有考慮土體的塑性變形，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)地質(zhì)情況適當(dāng)縮短懸空長(zhǎng)度， 以確保管道的安全。

5 結(jié)束語

石油石化管道與一般工業(yè)管道計(jì)算公式不同， 得出結(jié)果基本一致， 在實(shí)際工程應(yīng)用中兩種方法都適用。 管徑越大， 管道最大的容許懸空長(zhǎng)度越長(zhǎng)； 同一管徑， 壁厚較大的管道安全懸空長(zhǎng)度越長(zhǎng)。 基于簡(jiǎn)明管道支架力學(xué)理論， 對(duì)不同規(guī)格的管道在安全條件下最大懸空長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，為管道地質(zhì)災(zāi)害防治、 第三方施工開挖、 維修、建設(shè)等提供數(shù)據(jù)支撐， 可供其他管道從業(yè)技術(shù)管理人員進(jìn)行參考借鑒。