能源長輸管道的錨固與支撐相關因素計算的分析

文杰

（中石化江漢油建工程有限公司 湖北潛江 433123）

一、長輸管道錨固與支撐的原因分析

我國是個多山的國家，西北黃土高原等地貌奇特，土質大量流失，滑坡崩塌的現象時常發生，在山區和丘陵地帶，管線不可避免的要通過陡坡或斜坡。在這種地形中，由于地面落差大，土壤和巖層的差異也較大，管道容易破壞山坡原始的穩定狀態，引起土石下滑，改變原來的流水狀態，使雨水煙管道沖刷，造成回填土失穩而嚴管溝滑動。如果管線不可避免地要通過滑坡區，滑坡未經有效治理可能會影響土石的繼續滑動，滑坡特征多種多樣，這取決土壤和地下水的條件及地形等因素。破體的滑動會危及群油氣輸送管線的安全，因此 在都陡坡施工中必須對陡坡管線采取相應的措施，保證管線的安全要求。破體穩定化過程是為了加強管道的用地的穩定性，包括注意棄土的用地和斜坡的平整。

二、影響長輸管道錨固與支持的因素：以地質土壤和環境氣候特點為主

1.地質土壤特點

一是水土流失面積廣（以黃土高原為例）。黃土高原地區幾乎到處都存在水土流失，二是侵蝕強度大。三是流失量多。多年平均輸入黃河的沙量16 億t，筑成截面為1m×1m 的土堤，可繞地球赤道27 圈半。水土流失使黃河水平均含沙量高達35kg／m3，是長江的29倍。四是產沙地區、時間集中。黃河泥沙主要來自面積7．89 萬km2的多沙粗沙區，這一地區年均輸入黃河泥沙14．6 億t，占黃河總沙量的80%以上。從小流域看，泥沙主要來自于溝道，產沙時間集中產生在汛期。

2.環境、氣候因素

（1）90 萬年期間黃土高原磁化率變化主要受溫度和降水的影響，在一定程度上可用來反映夏季風水熱格局的變化。

（2）90 萬年期間黃土高原夏季風演化規律：L9 時期黃土高原基本不受季風影響。S5-S8 時期，黃土高原主要受東南季風的影響，前期季風強度變化不大，S5 時期季風變得愈來愈強盛并達到最盛。L4-L2 時期，黃土高原仍以東南季風影響為主，西南季風影響黃土高原西南部地區。在整個末次間冰期旋回（S1-S0），西南和東南季風同時顯著影響黃土高原。不同的冰期與間冰期氣候帶變化幅度十分顯著。

三、復雜、惡劣條件的解決措施

對于埋地管道的地表及地下排水是管道設計的主要方面。多數情況下，通過采用一定的排水措施及防腐控制措施，避免管道一定的腐蝕、管道外漏以及坡體的不穩定性。分水臺的設計與建設金屬石框、溝堵與暗溝為這一目的而建的。

（1）使用分水臺地來控制管道用地范圍內的地表水是管道行業的標準。分水臺地由位與斜坡上的淺的填涂排水組成，之間相隔一定間距，用來收集和導引來自管道用地和管道的地表水流。分水臺地 應該以礦質土筑成，盡量減少有機物和雪等混入其中，頂寬和高度在夏季施工應為約0.75 米，冬季施工應約為1 米，以補充融化的沉降。分水臺地可用人字形或對角線的形式來建造，可以使水從管道溝處排出，而不會只留在管道占地一側。

（2）金屬石籠是用金籠組成，并裝滿石塊沿著分水臺地受到水流的上側放置。這是一種強有力的沖蝕保護方法。它用于河流、溪流沿岸，來防止坡腳的沖蝕，一般所用的石頭太小不能用來防護亂石擋墻時，就可以用金屬石籠來護堤岸或分水臺地。

（3）暗溝由埋于橫穿管道占地的管溝內穿孔的電鍍波紋狀金屬管構成，并由頭率高的粒狀填充物所覆蓋。上半部細密土壤組織地表水通過，在沿坡下有一個堵溝，防止水流到下面管溝。

四、埋地金屬的腐蝕方式

電化學腐蝕——金屬管道在電解質溶液中由于各部分電位不同，在電子交換過程中作為陽極金屬而被腐蝕的一種方式，化學腐蝕——金屬直接與化學物質接觸而產生腐蝕，微生物腐蝕----直接參與金屬管道的微生物主要有自然界硫、鐵和氮循環的微生物等。

五、管墩的設計計算

1.設計要求

（1）對于埋地或地面敷設管道的熱力計算及其他管線，對于防止管線由于熱應力或補償器的彈性力而產生變形形變，以至損壞與之相關的管件、設備。常用固定管墩（錨固墩）將管線錨固，固定管墩一般由鋼支座和混凝土墩兩部分構成（如圖1）。

圖1 固定管座1-管座 2-管墩

混凝土主要靠它與土壤之間的 摩擦力將管線固定，管座是連接管體和管墩并傳遞管線作用力的構件。

（2）設計管墩管座首先要確定管墩受力，設計混凝土的尺寸大小，選擇管座并核算其強度。

（3）架設管線的管架分固定管架和中間管架兩種。作用相當與固定管墩；連接管架。

（4）管架的設計是確定管架受力，選擇管架結構形式核算強度。

2.管墩的推力計算

（1）埋地管道自由端管墩承受推力

錨固埋地直管段的管墩所受的推力計算：

H— —管墩承受的推力N：；а— —鋼材線膨1/℃；Δt— —升溫值，℃；FP— —管線截面，m2；Dа— —管線的平均直徑，m；P— —管線的設計內壓力，pa；ч— —泊松系數

3.管墩尺寸計算

先假設管墩尺寸，再按摩阻條件核算按管墩摩阻核算，合格后再按強度計算進行條件核算，管墩尺寸見圖3

圖3 管墩尺寸

假設尺寸時，管墩高應小于長和寬，增加其穩定性；推力較大的管墩沿管線軸向為長，幾根管線共用的聯合管墩管線軸向可能小于橫向尺寸。摩阻條件核算或求管墩尺寸相對與土壤阻力滿足下列條件；

H——墩推力，N；F——管墩與土壤間的摩擦力,N

Gn——管墩重量,N

Gt— —管墩上埋土總重量,N

a .b.h.h1— —管墩的寬、長、高、管墩頂埋土高，m；f土—的—密管度墩一與般土σ壤n的=24摩00擦；系E1數——0.5被 ～動0土.6壓；力σ，n—N —混凝

Ф=土壤內摩擦角,30算例計算2------- 由圖3 已知a=50m b=100m h=20m h2=30.5m σt =1.7×103kg/m3由

=2×107N 相關物理量意義如下H------管墩承受的推力N

a=0.005— —鋼材線膨,1/℃；Δt=10— —升溫值,℃；

FP=0.8— —管線截面,m2；Dа=1000mm— —管線的平均直徑，m；

P=1.0×107N— — 管 線 的 設 計 內 壓 力,pa；ч=0.1— —泊松系數再由下式

驗證 HEF ≥+1再按管墩傾覆校核由nd— —傾覆安全系數一般取1.2

由如下（6-15-20）公式計算地基強度，

（1）管墩傾覆核算

MS— —管墩穩定力矩N.M；h2 ——管墩低面至管線中心的高度m；

nd— —傾覆安全系數一般取1.2

（2）管墩本身的強度計算

K——抗拉安全系數。K=2.8；Ma彎曲力矩 n.m

RL——抗拉強度

（3）鋼筋管墩預埋強度計算：

Fa [τ] h3loRO鋼筋拉、剪強度，管墩至管線的距離，鋼筋至管座的中心距。

六、結論

1.土壤氣侯條件決定長輸管道錨固與支持方式。

2.金屬性能對長輸管道長輸管道錨固與支持影響。

3.埋地管道腐蝕多樣性對錨固與支持結果的影響

4.我國地質條件復雜，長輸管道建設面臨很大壓力。

5.錨固措施要符合核算強度要求。

[1]康 勇.油氣管道工程.[M].第一版.北京.中國石化出版社.2008. 80-86

[2]帥 健，于桂杰.管道及儲罐強度設計.[M].第一版.石油工業出版社2005.65

[3]李士倫，天然氣工程.[M].第一版.石油工業出版社2005.89