野戰管線利用自身強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.中國人民解放軍后勤工程學院 軍事供油工程系，重慶 401311；2.中國人民解放軍65547部隊，遼寧 海城 114200; 3.中國人民解放軍77649部隊，西藏 日喀則 857600)

【裝備理論與裝備技術】

野戰管線利用自身強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.中國人民解放軍后勤工程學院 軍事供油工程系，重慶 401311；2.中國人民解放軍65547部隊，遼寧 海城 114200; 3.中國人民解放軍77649部隊，西藏 日喀則 857600)

野戰管線鋪設遇到較小障礙時，一般利用自身強度實現跨越。障礙兩端不等高時，管線受力相對復雜，需要單獨校核；基于簡支梁理論，根據均布載荷的應力方程，建立了野戰管線懸空管段的簡易受力模型，利用該模型推導出兩岸不等高時3種野戰管線管子的最大允許懸空長度計算公式，找出了懸空長度與跨距、高差間的關系；將不等高時的計算結果與等高時的數據進行對比，證明建立的模型較為準確，可以用來指導管線兩岸不等高的跨越鋪設。

野戰管線；自身強度；不等高；受力分析

1 模型建立

野戰管線兩岸不等高跨越鋪設，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和管線懸空長度l決定(管徑、跨度較小，忽略風載)。因懸空管段受力不復雜，且鋪設時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化為一個彎曲和壓縮組合變形的簡支梁[2-4]，同時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 最大懸空長度計算

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

因管子所受壓應力由最高處向最低處遞增，故在最低管端達到最大值：

(1)

(2)

聯立式(1)、式(2)得到管子所受縱向應力：

(3)

(4)

求導后可知，x=u時，管線應力最大，其最大值：

(5)

式(5)可見，懸空管線的最大應力由l和α兩個參數決定，以DN100槽頭式管線為例進行計算[5-7]，得到不同α時，σ與l的關系曲線如圖2所示。

從國際碳市場的現狀來看，碳市場有兩大支柱：一個是京都機制，一個是歐盟排放貿易體系。其他地區性的交易市場有美國芝加哥氣候交易所、澳大利亞新南威爾士溫室氣體排放貿易體系、加拿大蒙特利爾氣候交易所等。京都機制中CDM交易很大程度上依賴于歐盟的減排市場。歐盟作為一個整體，為了實現《京都議定書》承諾的減排目標，發布了《歐盟排放交易指令》和《鏈接指令》。

由圖2可以看出，α一定時，σ隨l的增大而增大；l一定，σ隨α的增大而減小。說明當管線傾斜鋪設時，沿軸向壓應力的集中大于切向的彎曲應力集中。

圖2 DN100槽頭式管線不同α時σ與l的關系

結合內壓產生的縱向應力計算公式[8-10]，得到兩岸不等高懸空管線的強度校核公式：

(6)

式(6)中：σs為管子的屈服強度。

從而求得最大懸空長度l的計算公式：

(7)

對應的水平跨距r為

(8)

對應兩岸高差h為

(9)

取α=10°～80°，應用Matlab分別對DN100管線、DN150(引進型)管線和DN150(國產型)管線進行計算[11]，得到l-α、r-α和h-α的關系曲線如圖3～圖5所示。

圖3 DN100管線懸空段關系

圖4 DN150(引進型)管線懸空段關系

圖5 DN150(國產型)管線懸空段關系

對比圖3～圖5可見，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種管線的變化趨勢相似，隨著傾角的增大，所允許的最大跨距均逐漸減小。

當α=0時，對應的懸空管長l即是最大允許跨距r。經計算可得，DN100管線為11.6 m，DN150(引進型)管線為16.3 m，DN150(國產型)管線為20.3 m，計算結果與兩岸等高時簡支梁模型的最大懸空長度相符[12]，證明模型較為準確可靠，計算結果具有較高的實際指導意義。在鋪設管線時，若遇到兩岸不等高的情況，可對照上述關系曲線，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；否則必須進行支撐或懸掛通過。

3 結論

基于簡支梁理論建立了懸空管段的簡易受力模型，應用該模型計算了三種野戰管線管子在跨越不同高差障礙時的最大允許跨距，經與等高時的結果對比可知，建立的模型較為準確，研究的結論可以用來指導野戰管線的鋪設。

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(責任編輯周江川)

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與裝備研究。

10.11809/scbgxb2017.01.007

李江,張偉明,付帥，等.野戰管線利用自身強度跨越不等高障礙受力分析[J].兵器裝備工程學報，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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