埋地管道懸空應力分析

何乾偉,李　卓（.西南石油大學　石油與天然氣工程學院；.西南石油大學　機電工程學院,成都　60500）

埋地管道懸空應力分析

何乾偉1,李卓2
（1.西南石油大學石油與天然氣工程學院；2.西南石油大學機電工程學院,成都610500）

摘要：埋地管道在受到雨水、河流沖刷和地質災害時，可能導致管道埋土流失，從而造成管道懸空，管道懸空會嚴重影響管道安全運行。考慮管道懸空部分伸長引起的軸向拉伸應力，以及由于懸空部分的伸長和過渡段的伸長引起的懸空管道下沉造成的彎曲應力，以彎曲應力和拉伸應力之和作為管道最大應力，以最大應力作為懸空管道應力計算值進行強度校核，并且計算出管道在懸空狀態下所能承受的最大跨度。

關鍵詞：埋地管道；懸空；安全；分析

1　引言

當埋地管道懸空時，其受力狀態與地下管道相比發生了很大的變化，由管道荷載引起的下沉將導致軸向拉應力和彎曲應力的急劇增加，大大增加了管道的危險性，如在1994年，由于洪水的沖刷導致長慶油田元悅段多處懸空，造成了大量的經濟損失。因此，埋地管道懸空段的應力分析對管道安全運行具有重要意義。

2　埋地懸空管道的應力分析

懸空管道由于受到荷載作用而伸長，管道伸長將產生軸向拉伸應力。由于管道伸長會引起懸空段的下沉，從而產生彎曲應力。管道的伸長由兩部分組成，一部分來自懸空段，懸空段受到荷載被拉伸而引起管段伸長，另一部分來自管道過渡段，過渡段的伸長由懸空管段對過渡段的拉伸和過渡段的溫度變化造成。以彎曲應力和拉伸應力之和作為管道最大應力，以最大應力作為懸空管道應力計算值進行強度校核，并且計算出管道在懸空狀態下所能承受的最大跨度。圖1為懸空管道模型。

圖1　懸空管道模型

h1懸空管道由于受到荷載作用而伸長；l懸空跨度

E管材的彈性模量

D管道直徑δ管道壁厚

μ土壤與管道間的摩擦系數；ρ土壤密度；H管道埋深

α管材線膨脹系數；△t管道操作溫度與安裝溫度之差

（8）懸空管段下沉總高度等于懸空部分荷引起的管段下沉高度和△l2引起的懸空段下沉高度疊加之和：h=h1+h2（8）

（9）將懸空管段中間部分按圓弧處理，其曲率半徑為R：

Z管道的截面系數；η管道環向焊縫系數

實例計算：

懸空部分荷引起的管段下沉高度h1=3m，懸空跨度ι=200m，管道過渡段操作溫度與安裝溫度差Δt=20℃，管道埋深H=1m，管道與土壤間的摩擦系數μ=0.5，土壤密度ρ=1800Kg/m3，管道彈性模量200×109Pa，管道規格Φ159mm×6mm，管道的線膨脹系數=1.22×10-5/℃，管道的許用應力[ρ]=400MPa。管道環向焊縫系數η=0.8，管道的荷載q=200N/m（注：Z=π(D4-d4)/(32D)）

將數據帶入公式（1）～（12）計算得：

h=5.7m σx=120MPa σb=36MPa σmax= 156MPa

拉伸應力在懸空段最大應力中所占的比例M=77%

彎曲應力在懸空段最大應力中所占的比例N=23%

管道不因強度條件而破壞的最大跨度lmax=233m

3　結論

由計算可知σmax＜[σ]，且l＜lmax，所以在上述條件下，管道不會因強度條件而破壞，但該管道在200米懸空的情況下，管道的下沉高度達到了5.7m，這將嚴重影響管道的安全運行，若不及時搶修，管道的懸空段可能由于雨水沖刷等條件而繼續延長，當懸空長度達到233m時，管道就可能因為強度不夠而斷裂，這將造成巨大的損失。在一般情況下，拉伸應力在懸空管道總應力中所占比例相對較大。在實際工程中，由于管道的懸空會造成巨大的經濟損失，所以，在管道設計時應充分考慮管道所處地段的降雨量、地質狀況，做好管道的運營管理工作，當發現管道懸空或管道埋土被破壞時應及時搶修，避免因懸空段過長而對管道造成的破壞。

參考文獻：

[1]帥健,于桂杰.管道及儲罐強度設計[M].北京:石油工業出版社,2006:174-237.

作者簡介：何乾偉，男，西南石油大學 2012級 本科生。