油氣管道的彈性敷設設計

商慶偉

摘 要：在論述油氣管道的彈性敷設時，應當確保管道自身強度和變形條件滿足實際功能穩定性的需求，并在此基礎上提供彎曲受熱管道處理方式，以便整體油氣管道運行環境安全。在此期間，針對油氣管道的彈性敷設設計應當明確計算依據的指向性，并將彈性撓曲線等因素融入到當前設計環境內部，這樣才能夠確保整體設計工作滿足質量要求。本文根據油氣管道的彈性敷設設計的特性展開分析，在明確最小彎曲半徑和管溝參數同時，期望能夠為后續油氣管道設計提供參照。

關鍵詞：油氣管道；彈性敷設；施工設計；方法分析

1 油氣管道的彈性敷設設計概述

油氣輸送管道在平面走向改變處和豎面坡度、坡向改變處都會出現大量的轉角點。管線的轉彎可利用工廠預制的沖壓彎頭或熱彎彎頭、現場彎管機冷彎的冷彎彎頭和彈性彎曲的管道來實現；沖壓和熱彎彎頭的彎曲半徑范圍分別為（1.5-4）D和（3～16）D。由于彎頭的轉彎半徑小，在較高溫差壓力作用下，彎頭處會產生較大的應力；若埋深不夠，彎頭處管段的縱向穩定性也不易保證，因此在地下受熱管線的彎頭兩側一定位置處常需設置固定墩。冷彎彎管的彎曲半徑為（18～80）D.國外常利用冷彎彎管來實現長輸管線在一般地段的轉彎。我國雖從國外引進了現場彎管機，但有此設備的施工單位不多。

管道彈性敷設具有許多優點：管道的應力分布均勻，不存在過高的峰值應力；管道基本上處于嵌固狀態，不需設置固定墩；管線由直管道組焊取代彎頭組焊施工方便。但彈性敷設段管溝的形狀或標高要嚴加控制，才能保證管線緊貼溝底。在河流穿越管線或直接教設于浸水地段或沼澤地的管線，廣泛采用彈性敷設實現管線轉彎；而對一般地段的轉角點，采用何種管道敷設方式，要綜合考慮多種因素，如曲管應力大小。管線的縱向穩定性、清管器的要求，場地條件等等經技術經濟分析比較后確定。

2 油氣管道敷設的最小彎曲半徑分析

最小彎曲半徑根據管道的強度和變形條件確定，對上凸彈性彎曲管道，還要考慮縱向穩定性條件。本文不討論彈性彎曲管道的縱向穩定性問題，其驗算方法參見有關文獻或規范。若彎曲半徑不滿足穩定性條件，還可通過調整管道埋深、加壓重物等方法來達到穩定性要求。

2.1 強度要求分析

在落實油氣管道設計過程中，我國已經具備相對完善的規范體系。其中內容多以第三強度理論作為核心展開強度設計，若根據理論進行設計，認為彈性彎曲管道能夠被土壤環境所嵌固，如此在計算油氣管道最低操作溫度時，便可知最小彎曲半徑與管材性能、屈服極限、管道外徑、環向應力、溫度差值等因素有關聯性。并且，根據前蘇聯第四強度理論驗算方法可知，管道的縱向應力為壓應力時，應當針對管道強度進行細致調整，這樣才能夠確保整體最小彎曲半徑滿足實際工程需求，并能夠根據我國當前油氣管道的敷設規模提供理論基礎。由此根據理論內泊松應力和溫度應力之和的影響狀況，都可以根據管道最小彈性彎曲半徑進行分析，以便整體管道體系構建穩定。

2.2 變形要求分析

按變形條件確定管道的最小彈性彎曲半徑要考慮彈性敷設管道的力學模型和管道撓曲線的形式。我國和前蘇聯采用的彈性敷設的力學模型是一致的，但撓曲線形式不一樣。我國一直沿用圓弧曲線。前蘇聯采用肋學模型所對應的撓曲線。圓弧曲線法中圓弧線與直線切點處的二階導數不連續，相應地在切點處彎矩不連續，這與實際不符。前蘇聯雖曾使用過圓弧曲線來近似實際的撓曲線，但其現行規范推薦的有關公式來源于四次曲線。

（1）力學與角度。在論述二者之間關系期間，首先需要針對管道敷設環境的力學結構進行細致分析，明確簡支梁和管道彈性之間的關系同時，還應當針對管道彎曲環境提供懸臂梁嵌固點，這樣才能夠確保地下埋設環境在小范圍內穩定，并能夠有效轉化外來荷載對管道結構的影響。其中，在簡支梁角度和材料方面應當進行細致選擇，并針對坡腳變量進行深入論述，這樣才能夠確保整體力學環境穩定，并避免對管道造成額外的荷載壓力。（2）圓弧曲線法。圓弧曲線法是根據管道彈性參數中的真實撓曲線理念提供的計算方法。在展開計算過程中，既需要針對管道下凹半徑進行細致分析，同時還需要根據管道自身彈性極限進行統籌，這樣才能夠確保整體最小彎曲半徑能夠被限定，并可以作為參照為管道體系的構建提供保障。期間，在論述圓弧曲線法的過程中，必須明確管道抗彎剛度與管長重量之間的關系，并根據水平夾角與彈性變量之間的公式展開論述。根據以往工程經驗可知，水平夾角在小于30度時，可以忽略夾角對最小彎曲半徑的影響。（3）四次曲線法。四次曲線法是根據力學框架梁的撓曲線作為依據，通過參數審核確保結構體系穩定的方法。在展開計算過程中，既需要針對附加撓曲線展開假設分析，同時還需要針對管道下凹的最小半徑進行核查，這樣才能夠確定簡支梁和懸挑梁等結構體系的變量要求，并能夠為后續油氣管道敷設環境提供保障。根據以往工程經驗可知，在管道規格與縱向角度相符環境中，四次曲線法的管道下凹半徑小于圓弧曲線法，故而在土方量的計算方面也會相對偏低。若從使用安全性角度來看，此種理論具備核算優勢，并且在多元化的管道敷設環境中，均能夠提供完善的抗彎強度條件，以確保整體油氣管道敷設環境滿足可持續化利用的條件。

3 油氣管道敷設管溝設計分析

根據強度、變形條件可分別計算出彈性敷設管道的最小彎曲半徑，取兩者中的較大值作為管溝設計的最小曲率半徑，就能保證管道滿足強度和變形條件，實際工程中所采用的管溝線曲率半徑應大于其最小曲率半徑。管溝線曲率半徑確定后，可以算出轉角點到切點的距離，從而曲線的切點的位置坐標也就確定了。

3.1 圓弧曲線法分析

在圓弧曲線法落實過程中，首先應當針對管溝彎曲距離展開細致分析，確保管道彎曲波長能夠被有效核實，以此確保整體坡度、水平夾角和管道彈性變量條件能夠被深入分析，這樣才能夠確保整體坡度計算能夠準確。期間，應當積極落實管溝線內的基準點，以便整體管溝設計工作能夠被有效識別。

3.2 四次曲線法分析

在落實四次曲線法過程中，首先應當針對易出現凹管狀況的管溝線進行細致分析，確保弦長、線長、外矢距等條件能夠被有效識別，這樣才能夠通過計算公式針對切點連線和水平線夾角展開計算。期間，四次曲線法能夠有效識別管線埋深的安全性，同時更能夠降低土方的開挖量，相比較圓弧曲線分析法而言，具備絕對的經濟性優勢。

4 結束語

油氣管道的彈性敷設設計工作的有效落實，不但能夠根據管道自身的材質特性，鞏固整體運行環境的密封性和質量性水平，從而確保油氣管道資源在運輸方面具備完整性的前提，同時更能夠根據對應管槽澆筑的狀況，為整體管線敷設提供結合保障，即避免了結構變量對管道造成額外荷載影響，而且也鞏固了地下功能體系的穩定性。故而，在論述油氣管道的彈性敷設設計過程中，必須明確荷載對管道的影響和干擾因素，這樣才能夠確保管道體系完整。

參考文獻

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