野戰(zhàn)管線利用自身強(qiáng)度跨越不等高障礙受力分析

李 江，張偉明，付 帥，巴桑次仁，周宇鋒

(1.中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶 401311；2.中國(guó)人民解放軍65547部隊(duì)，遼寧 海城 114200; 3.中國(guó)人民解放軍77649部隊(duì)，西藏 日喀則 857600)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

野戰(zhàn)管線利用自身強(qiáng)度跨越不等高障礙受力分析

李 江1，張偉明1，付 帥2，巴桑次仁3，周宇鋒3

(1.中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶 401311；2.中國(guó)人民解放軍65547部隊(duì)，遼寧 海城 114200; 3.中國(guó)人民解放軍77649部隊(duì)，西藏 日喀則 857600)

野戰(zhàn)管線鋪設(shè)遇到較小障礙時(shí)，一般利用自身強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)跨越。障礙兩端不等高時(shí)，管線受力相對(duì)復(fù)雜，需要單獨(dú)校核；基于簡(jiǎn)支梁理論，根據(jù)均布載荷的應(yīng)力方程，建立了野戰(zhàn)管線懸空管段的簡(jiǎn)易受力模型，利用該模型推導(dǎo)出兩岸不等高時(shí)3種野戰(zhàn)管線管子的最大允許懸空長(zhǎng)度計(jì)算公式，找出了懸空長(zhǎng)度與跨距、高差間的關(guān)系；將不等高時(shí)的計(jì)算結(jié)果與等高時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明建立的模型較為準(zhǔn)確，可以用來(lái)指導(dǎo)管線兩岸不等高的跨越鋪設(shè)。

野戰(zhàn)管線；自身強(qiáng)度；不等高；受力分析

1 模型建立

野戰(zhàn)管線兩岸不等高跨越鋪設(shè)，管線所受荷載不垂直于管身，而是與管子軸線呈一定角度α，α由兩岸高差h和管線懸空長(zhǎng)度l決定(管徑、跨度較小，忽略風(fēng)載)。因懸空管段受力不復(fù)雜，且鋪設(shè)時(shí)可使用短管或彎頭避免管線在岸邊拱起，故將兩岸不等高懸空管線簡(jiǎn)化為一個(gè)彎曲和壓縮組合變形的簡(jiǎn)支梁[2-4]，同時(shí)受垂直于軸線的均布荷載q2和沿軸線方向的遞變荷載q1x作用，簡(jiǎn)化的受力模型如圖1所示。

圖1 兩岸不等高懸空管段受力模型

2 最大懸空長(zhǎng)度計(jì)算

管子所受縱向應(yīng)力由彎曲應(yīng)力q2和壓應(yīng)力q1x組成，分別求解并相加，求出管子所受最大縱向應(yīng)力，令其等于管子的屈服強(qiáng)度，即可得到最大懸空長(zhǎng)度l。

因管子所受壓應(yīng)力由最高處向最低處遞增，故在最低管端達(dá)到最大值：

(1)

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2)得到管子所受縱向應(yīng)力：

(3)

(4)

求導(dǎo)后可知，x=u時(shí)，管線應(yīng)力最大，其最大值：

(5)

式(5)可見(jiàn)，懸空管線的最大應(yīng)力由l和α兩個(gè)參數(shù)決定，以DN100槽頭式管線為例進(jìn)行計(jì)算[5-7]，得到不同α?xí)r，σ與l的關(guān)系曲線如圖2所示。

從國(guó)際碳市場(chǎng)的現(xiàn)狀來(lái)看，碳市場(chǎng)有兩大支柱：一個(gè)是京都機(jī)制，一個(gè)是歐盟排放貿(mào)易體系。其他地區(qū)性的交易市場(chǎng)有美國(guó)芝加哥氣候交易所、澳大利亞新南威爾士溫室氣體排放貿(mào)易體系、加拿大蒙特利爾氣候交易所等。京都機(jī)制中CDM交易很大程度上依賴于歐盟的減排市場(chǎng)。歐盟作為一個(gè)整體，為了實(shí)現(xiàn)《京都議定書(shū)》承諾的減排目標(biāo)，發(fā)布了《歐盟排放交易指令》和《鏈接指令》。

由圖2可以看出，α一定時(shí)，σ隨l的增大而增大；l一定，σ隨α的增大而減小。說(shuō)明當(dāng)管線傾斜鋪設(shè)時(shí)，沿軸向壓應(yīng)力的集中大于切向的彎曲應(yīng)力集中。

圖2 DN100槽頭式管線不同α?xí)rσ與l的關(guān)系

結(jié)合內(nèi)壓產(chǎn)生的縱向應(yīng)力計(jì)算公式[8-10]，得到兩岸不等高懸空管線的強(qiáng)度校核公式：

(6)

式(6)中：σs為管子的屈服強(qiáng)度。

從而求得最大懸空長(zhǎng)度l的計(jì)算公式：

(7)

對(duì)應(yīng)的水平跨距r為

(8)

對(duì)應(yīng)兩岸高差h為

(9)

取α=10°～80°，應(yīng)用Matlab分別對(duì)DN100管線、DN150(引進(jìn)型)管線和DN150(國(guó)產(chǎn)型)管線進(jìn)行計(jì)算[11]，得到l-α、r-α和h-α的關(guān)系曲線如圖3～圖5所示。

圖3 DN100管線懸空段關(guān)系

圖4 DN150(引進(jìn)型)管線懸空段關(guān)系

圖5 DN150(國(guó)產(chǎn)型)管線懸空段關(guān)系

對(duì)比圖3～圖5可見(jiàn)，DN100管線受管徑等因素影響，各傾角下其最大允許跨距均小于DN150管線，但3種管線的變化趨勢(shì)相似，隨著傾角的增大，所允許的最大跨距均逐漸減小。

當(dāng)α=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的懸空管長(zhǎng)l即是最大允許跨距r。經(jīng)計(jì)算可得，DN100管線為11.6 m，DN150(引進(jìn)型)管線為16.3 m，DN150(國(guó)產(chǎn)型)管線為20.3 m，計(jì)算結(jié)果與兩岸等高時(shí)簡(jiǎn)支梁模型的最大懸空長(zhǎng)度相符[12]，證明模型較為準(zhǔn)確可靠，計(jì)算結(jié)果具有較高的實(shí)際指導(dǎo)意義。在鋪設(shè)管線時(shí)，若遇到兩岸不等高的情況，可對(duì)照上述關(guān)系曲線，判斷管線是否可以直接跨越。若小于允許跨距，則可以直接通過(guò)；否則必須進(jìn)行支撐或懸掛通過(guò)。

3 結(jié)論

基于簡(jiǎn)支梁理論建立了懸空管段的簡(jiǎn)易受力模型，應(yīng)用該模型計(jì)算了三種野戰(zhàn)管線管子在跨越不同高差障礙時(shí)的最大允許跨距，經(jīng)與等高時(shí)的結(jié)果對(duì)比可知，建立的模型較為準(zhǔn)確，研究的結(jié)論可以用來(lái)指導(dǎo)野戰(zhàn)管線的鋪設(shè)。

[1] 總后勤部軍需物資油料部.野戰(zhàn)輸油管線工藝設(shè)計(jì)與鋪設(shè)[M].北京:解放軍出版社,2005.

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[6] 李傳習(xí),劉光棟,柯紅軍.懸索橋主纜系統(tǒng)數(shù)值解析法計(jì)算的一種收斂算法[J].工程力學(xué),2008(8):66-73.

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[11]王許來(lái),李宏偉,盧厚清.基于VV&A過(guò)程的自行舟橋訓(xùn)練仿真系統(tǒng)可信度評(píng)估指標(biāo)體系[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016,37(8)：61-65.

(責(zé)任編輯周江川)

Stress Analysis of Field Pipeline Across the Different Height Barrier Using Its Own Strength

LI Jiang1, ZHANG Wei-ming1, FU Shuai2, BASANG Ci-ren3, ZHOU Yu-feng3

(1.Department of Petroleum Supply Engineering, Logistic Engineering University, Chongqing, 401311,China;2.The No.65547thTroop of PLA, Haicheng 114200,China; 3.The No.77649thTroop of PLA, Rikaze 857600, China)

When field pipeline encounters minor gap,the general way is to cross the gap with its own strength, and if the gap is with different height, the pipeline stress is more complex, the separate checks are required.Based on the beam theory,this paper established a simple stress model of hanging segment of the field pipeline according to the equation of uniform load stress.According to this model,the formula of max allowed distance of three kinds of the field pipeline using between minor gap with different height was derived,the relationship between the hanging length,the suspended span and the height difference were find out.The compared results of data at the same height and different height shows that the established model is accurate and the conclusion can be used to guide the pipeline laying between minor gap.

field pipeline; own strength; different height; stress analysis

2016-09-20；

2016-10-15

李江(1986—)，男，博士，講師，主要從事油氣輸送技術(shù)與裝備研究。

10.11809/scbgxb2017.01.007

李江,張偉明,付帥，等.野戰(zhàn)管線利用自身強(qiáng)度跨越不等高障礙受力分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(1):29-31.

format:LI Jiang, ZHANG Wei-ming, FU Shuai, et al.Stress Analysis of Field Pipeline Across the Different Height Barrier Using Its Own Strength[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):29-31.

E939

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