埋地管线应力分析

摘要：本文主要介绍不同规范埋地管线的计算方法及应力计算软件 CAESAR Ⅱ的模型理论基础

关键词 ： 土壤 ，荷载 ， 位移， 约束 ，许用应力

Abstract: this paper mainly introduces the different norms of underground pipeline calculation method and the stress calculation software Ⅱ CAESAR's model and theoretical basis

Key words: the soil, load and displacement, constraint, allowable stress

中图分类号：C34文献标识码：A文章编号：

概述

埋地管线应用广泛，常见的有输油、输气管线，城镇燃气、供热管线，消防、污水、雨水、 给排水等。埋地管线输送距离长，出现问题不易觉察，输送介质多为基础性的介质，一旦出现问题，影响范围大，检修量大，工序复杂，所以对埋地管线的分析尤为重要。

2.埋地管线应力分析

2.1埋地钢制管道的受力计算-壁厚、埋深校核(HG/T20645)

化工厂埋地管线，土壤环境多变，埋深条件和交通状况复杂，不进行校核计算，存在安全隐患。《化工装置管道机械设计规定》HG/T20645 的计算理论来自于德国的“埋地管的（静）受力计算指南”，在考虑交通荷载，土壤压力的作用下对于埋地管线的强度、刚度和稳定性进行计算，对于一般埋地管道壁厚和埋深的验算校核具有指导意义。

2.1.1强度校核：在内压和土壤荷载以及交通荷载共同作用下，管道最大拉应力是轴向应力(N/F)与弯曲应力（M/W）的叠加，取轴向应力安全系数Sn=1.5,弯曲安全系数Sb=1.1。管道最大拉应力控制在材料屈服强度的三分之二的范围内，被认为管道强度合格，公式如下： σ=sn••+Sb•≤

σ=1.5（••q）-1.1[• (.q]

q=+

2.1.2刚度校核：在内压和土壤荷载以及交通荷载共同作用下，管道的水平方向或者垂直方向的直径变形量与管道直径的比值小于3％，被认为管道刚度合格，公式如下：

dμh/da≤3%

=±2(1-

2.1.3变形量校核：临界安全系数 ≥2.5 满足要求

对于给定壁厚的埋地管道，须同时满足三个方面的校核要求，若其中一项不满足，应重新假定壁厚校核，直到所选壁厚满足要求为止。

式中参数：σ-管道应力 N-轴向力 F-横截面积M-弯矩 W-截面系数S-管子计算壁 P-内压 da-管子外径 rm-管道平均半径 pk-管道变形临界压力ri-管子内半径ω-系数 λ-地压系数 0.5dμh-垂直方向或者水平方向的直径变形量 q-单位面积上的总荷载

2.2 CAESARⅡ 埋地管道计算原理

CAESARⅡ把土壤约束转化为双线形约束，用户自行建立土壤模型。它的计算理论来源于 L.C.PENG 的“埋地管线应力分析方法”，引进土壤屈服位移Yd概念.按经验值，认为管道推动土壤的位移如果超过埋深和管径之和的0.015长度，则土壤失效，首先计算管道轴向Fax和横向Ftr的最大单位长度摩擦力，用单位长度摩擦力除以屈服位移，从而得到轴向和横向的最大刚度。软件自动把管道分成完全锚固区、过渡段和横向变形区，按节点临近长度取出管道的长度，按长度乘以单位长度刚度计算该节点的刚度，通过各个节点的位移乘以对应节点的刚度而得到该点的轴向力和横向力，从而评定管道各个点的应力水平。

2.2.1单位长度轴向力：轴向力主要是阻碍管道轴向位移的土壤摩擦力，力的分布布满整个圆周，大小为摩擦系数和作用力的乘积，但是这样的模型计算比较困难，所以采用简化模型，作用于管子上的力可以分为作用于管道上部的力 W,作用于管底的作用力 W+,为管道和内部介质的重量，对于管道埋深为管道直径的一到三倍的情况下，轴向摩擦力为：

ƒ=μ(W+W+)/12 或者ƒ=μ(2γDH+)/12

对于埋于地下水层以下的管道，在计算受力时要剪掉浮力的影响

ƒ-单位长度轴向摩擦力，lbs/in μ-管道和土壤的摩擦系数

γ-回填土密度 lbs/D-管道外径 ftH-土壤表面到管道表面的深度-管道及介质重量 lbs/in

2.2.2单位长度横向力：单位长度横向力可理想化分为弹性阶段和塑性阶段两部分。当管道水平移动的时候，在它的前面受到一个土壤的正压力，同时受到背面土壤的另一个作用力，但是当它出现位移时，背面和土壤出现了缝隙，背面的作用力就可以忽略不计了，此时横向力就是土壤正面正压力。

单位长度横向力为：

U=(45+

其中：U-单位长度土壤阻力φ-内摩擦角

2.3《城镇直埋供热管道工程技术规程》CJJ/T81-98中的管道受力与应力验算

2.3.1直埋供热管道一般由直管、弯头、三通补偿器和固定支座组成。《规程》依据弹塑性理论来计算管线应力。规定管道在由内压、持续外载作用下的一次应力当量应力，不应大于钢材在计算温度下的基本许用应力[σ]；热胀冷缩和其他因位移受约束而产生的二次应力及由内压、持续外载产生的一次应力的当量应力变化范围，不应大于钢材在计算温度下基本许用应力[σ]的3倍；管道局部应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力变化幅度不应大于钢材在计算温度下基本许用应力[σ]的3倍。

[σ]取下列两式中的较小值： [σ]=/3[σ]=/1.5

2.3.2规范提供了壁厚计算公式：

=

其中：δt-管道理论计算壁厚 δc-管道计算壁厚 Pd-计算压力

φ-基本许用应力修整系数D-管道外径B-管道壁厚附加值

2.3.3《规程》规定管道与土壤之间的单位长度摩擦力按下式进行计算：

F=πρgμ(H+D/2).D 其中：H-管顶覆土深度 μ-摩擦系数

埋地管线薄弱点及保护措施

埋地管线存在自然锚固的现象，在锚固点处，管道的位移为零，此点的膨胀力和管道摩擦力与端点力之和相当。热胀方向一般朝着自由端或者弯头的方向，管线的中间部分受到土壤摩擦力的约束，自由端的位移量与摩擦力近似成反比而与操作和安装的温差平方成正比，埋地管线的弯头附近发生热胀现象时，弯头会发生侧向位移，同时又受到土体的约束，将承受很大的内力，在横向土壤约束下，弯头的位移大约是相同条件架空管道弯头位移量的一半，这些变形常常导致该点的应力超标，弯头是埋地管线的薄弱点所在，所以为了保护弯头区域，需要采取一定的措施：a 在弯头附近设置锚固点，位置近似在靠近弯头20倍管道直径处（经验值）; b在横向变形段，弯头处设置软回填，增大弹性臂长; c加大弯头处的壁厚或者加大弯曲半径; d采用膨胀节进行位移补偿; e进行管道热埋减小温差。

结论

作用在埋地管线上的荷载主要有内压、埋土压力、热胀力、土壤的摩擦力、土体对管道的压缩反力等静力荷载，使管道产生内力和变形，其计算和验算方法根据其基本理论和适用范围的不同而存在差异，评定标准也不完全相同，但是其基本点也是重点都是分析土壤和管道的交互作用，因此土壤参数收集很重要，它正确与否直接决定计算结果是否接近真实状况，在地下管线设计和施工当中应该特别注意弯头和三通等管系薄弱点的的处理。

参考文献：《stress analysis methods for underground pipe line》 Liang-Chaun Peng 1978

《输入干线设计手册》 四川石油设计院

《直埋供热管道弯头的壳体应力分析》张肖趁 陈红旗 孙云普 哈尔滨工业大学学报

作者简介：郭振涛；1979.6.17；男；汉族；陕西宝鸡人；研究方向：环境工程，给排水。学历：大学本科。