基于簡明支架理論的管道最大懸空長度計算分析

賈 帥， 王志學， 許建華， 董一瑾

（1. 中航油京津冀物流有限公司， 天津 300000； 2. 河北工業大學， 天津 300300）

隨著油氣儲運技術的發展， 管道成為油氣運輸的主要方式。 由于長輸管道跨越范圍大、 輸送距離長， 管道鋪設地理環境復雜， 各種地質災害頻發， 如山體滑坡、 洪水、 水土流失、 坍塌、 地質不均勻沉降等造成管道的懸空； 其他工程建設如管道交叉、 道路修建等需要開挖管道造成管道懸空， 另外管道本身的維修維護也會造成管道短時間懸空狀態[1-8]。 不同情況造成管道懸空時間長短不一， 懸空長度也不同， 因此會造成管道變形， 如果發生塑性變形則會嚴重損傷管道， 威脅管道安全[9-13]。 研究不同管道最大懸空長度， 確保管道始終處于安全狀態十分必要。 準確計算管道的最大懸空長度， 指導管道的維修維護， 可為管道的搶險、 第三方施工建設提供依據。

1 管道最大懸空長度計算原則

按照簡明支架力學理論， 把管道懸空狀態簡化為兩段固定支座的簡單支架， 土體對管道為硬支撐， 不考慮土的彈塑性變形， 管道載荷均勻分布。 根據《簡明管道支架計算及構造手冊》 給出一般工業管道和石油石化管道允許跨距計算公式[14-15]， 管道重力彎曲不應超過管材的許用外載彎曲應力， 以保證管道的安全， 這是按照管道強度條件下計算管道允許跨距。 同時由于管道彎曲變形會產生一定的撓度， 一般管道設計撓度不應該超過15 mm， 裝置外石油石化管道撓度最大為38 mm。 根據撓度限制確定管道允許跨距， 即按照剛度計算校核。 管道最大的懸空長度的計算應按照強度和剛度兩個條件進行， 取兩者中較小的值作為推薦的最大允許長度。

2 石油石化管道最大懸空長度計算

2.1 按強度計算

按照《簡明管道支架計算及構造手冊》 中石油化工管道相關內容， 按強度計算公式為

將公式 （2）、 公式 （3）、 公式 （4） 帶入公式（1） 可得

從以上計算可以看出， 管道最大懸空長度與設計系數、 焊縫系數、 鋼管的材質、 壁厚相關，同時還與輸送流體相關。

2.2 按剛度計算

按照強度計算的最大懸空長度還應該按照剛度進行校核， 以保證滿足撓度變形的要求。 按剛度計算公式為：

3 實際案例計算

某輸油管道DN600 mm 管段， 材質L415M，設計系數0.6， 直縫焊管道系數0.8， 最低屈服強度415 MPa， 外徑610 mm， 內徑601.2 mm；DN500 mm 管段外徑508 mm， 內徑500 mm， 鋼的密度7.85×103kg/m3， 油的密度0.8×103kg/m3。DN600 mm 管道按照強度計算最大懸空長度為20.16 m， 按剛度計算最大懸空長度為18.92 m；DN500 mm 按強度計算最大懸空長度為19.14 m，按剛度計算最大懸空長度為17.49 m。

某機場輸油管道材質X56， 外徑323.9 mm， 內徑316.9 mm， 壁厚7 mm， 最小屈服強度386 MPa，設計系數為0.72， 按照強度計算最大懸空長度為15.77 m， 按剛度計算最大懸空長度為14.89 m。

某管道外徑323.9 mm， 內徑317.5 mm， 壁厚6.4 mm， 材質X52， 最小屈服強度358 MPa。按照強度計算最大懸空長度為16.84 m， 按剛度計算最大懸空長度結果為14.65 m。

4 一般工業管道最大懸空長度計算

4.1 按強度計算

管道單位長度計算荷載等于單位長度管道質量與管道中液體質量之和乘以重力加速度， 懸空管道處于靜止狀態， 不考慮風阻。

4.2 按剛度計算

將上述四種不同規格類型的管道帶入進行計算， 結果如下： DN600 mm 管道按照強度進行計算最大懸空長度18.25 m， 按剛度計算為20.93 m；DN500 mm 按強度計算最大懸空長度為17.33 m，按剛度計算最大懸空長度為18.98 m； 管道外徑323.9 mm， 材質X56 管道按強度進行計算最大懸空長度為14.35 m， 按剛度計算最大懸空長度為15.16 m； 外徑323.9 mm， 材質X52 管道按強度進行計算最大懸空長度15.64 m， 按剛度計算最大懸空長度為14.85 m。

管道最大懸空長度按照強度進行計算， 同時進行撓度限制， 剛度計算進行校核， 取最小值以保證管道安全， 結果見表1。

表1 不同計算方法得到的管道最大懸空長度結果對比

通過計算結果對比分析得出： 管徑越大， 管道最大的容許懸空長度越長； 同一管徑， 壁厚較大的管道安全懸空長度越長。 石油石化管道與一般工業管道計算公式不同， 得出結果基本一致，兩者都是基于簡明支架力學理論， 在實際工程應用中兩種方法都適用。 該方法對管道懸空兩段的土地假設為硬支撐， 沒有考慮土體的塑性變形，在實際應用中可以根據地質情況適當縮短懸空長度， 以確保管道的安全。

5 結束語

石油石化管道與一般工業管道計算公式不同， 得出結果基本一致， 在實際工程應用中兩種方法都適用。 管徑越大， 管道最大的容許懸空長度越長； 同一管徑， 壁厚較大的管道安全懸空長度越長。 基于簡明管道支架力學理論， 對不同規格的管道在安全條件下最大懸空長度進行計算，為管道地質災害防治、 第三方施工開挖、 維修、建設等提供數據支撐， 可供其他管道從業技術管理人員進行參考借鑒。