管道与储罐强度-1地下管道

第1章地下管道•干线（长输）管道中98%是地下；•管道地下敷设的好处–施工简单、占地面积小，节省投资，容易受到保护，不影响交通和农业耕作•管道过沼泽、高地下水位和重盐碱土地区时，经技术经济比较后，可采用土堤敷设。1-1荷载和作用力•荷载是管道及其附件强度设计的依据。•实际中存在多种载荷，各具不同特征，造成的材料破坏形式和机理也存在差异。•荷载分类：–永久荷载–可变荷载–偶然荷载•设计时组合。永久荷载（恒荷载）•输送介质的内压力；•钢管及其附件、绝缘层、保温层、结构附件等的自重；•输送介质的重量；•横向和竖向的土压力；•静水压力和水浮力；•温度应力以及静止流体由于受热膨胀而增加的力；•由于连接构件相对位移而产生的作用力。可变荷载（活荷载）•试运行时的水重量；•附在管道上的冰雪荷载；•由于内部高落差或风、波浪、水流等外部因素产生的冲击力；•车辆荷载及行人；•清管荷载；•检修荷载。偶然荷载•位于地震基本烈度七度及七度以上地区的管道，由地震引起的活动断层位移、沙土液化、地基滑坡施加在管道上的力；•由于振动和共振所引起的应力；•冻土或膨胀土中的膨胀压力；•沙漠中沙丘移动的影响；•地基沉降附加在管道的荷载。1-2环向应力•内压是影响管道强度的最主要荷载，因而环向应力是管道上最重要的应力；•内压产生环向应力和轴向应力；•由环向应力（内压）确定壁厚。ppDDσσ环向应力hpD22pDhBarlow公式轴向应力精确解：442pDDDpAFa222224dDpddDFa近似解Fap例1-1：管道外径273mm，壁厚9mm，内压10Mpa，分别按精确值和薄壁近似公式计算管道的轴向应力和管道横截面的截面系数，并比较两种计算方法的差别。解：已知：mmD273mm9mmd255MPap10轴向应力精确值：MPadDpda4.6825527325510222222近似值（薄壁）：1027375.3449apDMPasd´===´两者的相对误差为10.8％。管道横截面系数相对误差3.3％。354444107672.42732552733232mmDdDZ精确值：35222109240.49225527314.32mmdDrZ近似值：管道轴向应力和截面系数的近似值的保守性随比值D／t增大而增大。厚壁圆筒——某些高压管道•厚壁圆筒中有径向应力ir0ripepLamei公式•弹性力学的经典公式()()()222222002220iieihiprrrprrrrrrs+--=-220222202202iieiirrrrrrrprrrp仅有内压环向应力的最大值在内壁22022021rrrrrpiiih22022021rrrrrpiiir220220maxiiihrrrrp例1-2：管道外径273mm，壁厚9mm，内压10Mpa，分别按薄壁和厚壁管道计算管道的环向应力，并比较两者的差别。解：已知mmD273mm9mmro5.136mmri5.127MPap10薄壁和厚壁管道公式计算如下：两者的误差为3.3%。10273151.7229hpDMPats´===´薄壁：MParrrrpiiih8.1465.1275.1365.1275.136102222220220max厚壁：一般而言，如果D／t比值小于20，则应按厚壁管考虑1-3许用应力与壁厚设计1、许用应力sK式中[]s——许用应力K——设计系数，按标准取值。f——焊缝系数ss——钢管的最低屈服强度(SMYS)钢管的最低屈服强度和焊缝系数（一）钢管标准名称钢号或钢级最低屈服强度（Mpa）焊缝系数备注《输送流体用无缝钢管》Q295295（16mm为285）1为钢管的公称壁厚GB/T8163-1999Q345295（16mm为315）20245（16mm为235）《石油天然气工业输送钢管交货条件第1部分：A级钢管》GB/T9711.1-1997L175(A25)175(172)1L210(A)210(207)L245(B)245(241)L290(X42)290(289)L320(X46)320(317)L360(X52)360(358)L390(X56)390(386)L415(X60)415(413)L450(X65)450(448)L485(X70)485(482)L555(X80)555(551)钢管的最低屈服强度和焊缝系数（二）钢管标准名称钢号或钢级最低屈服强度(Mpa）焊缝系数备注《石油天然气工业输送钢管交货条件第2部分：B级钢管》GB/T9711.1-1999L245NB245~440*1B级管的质量和试验要求高于A级管L245MBL290NB290~440*L290MBL360NB360~510*L360QBL360MBL415NB415~565*L415QBL415MBL450QB450~570*L450MBL485QB485~605*L485MBL555QB555~675*L555MBNB为无缝钢管和焊接钢管用钢，QB为无缝钢管用钢，MB为焊接钢管用钢；带*数值为0.5%应变的应力值。2、输油管道的壁厚设计公式2pD式中d——壁厚，mm。p——设计压力，MPa。D——管道直径，mm。[]s——钢管的许用应力，MPa。3、输气管道壁厚设计公式FtpDs2式中d——壁厚，mm。p——设计压力，MPa。D——管道直径，mm。ss——钢管的许用应力，MPa。f——焊缝系数。F——设计系数。t——温度折减系数，当温度低于120C时，取t=1.0。输气管道的强度设计系数地区等级（沿管道中心线两侧各200m范围内，任意划分成长度为2km并能包括最大聚居户数的若干地段）•一级地区：户数在15户或以下的区段；•二级地区：户数在15户以上、100户以下的区段；•三级地区：户数在100户或以上的区段，包括市郊居住区、商业区、工业区、发展区以及不够四级地区条件的人口稠密区•四级地区：系指四层及四层以上楼房（不计地下室层数）普通集中、交通频繁、地下设施多的地区。地区等级强度设计系数一级地区0.72二级地区0.6三级地区0.5四级地区0.4穿越铁路、公路和及输气站内管道的强度设计系数管道及管段地区等级一二三四强度设计系数（F）有套管穿越Ⅲ、Ⅳ级公路的管道0.720.60.50.4无套管穿越Ⅲ、Ⅳ级公路的管道0.60.50.50.4有套管穿越Ⅰ、Ⅱ级公路，高速公路、铁路的管道0.60.60.50.4输气站内管道及其上、下游各200m管道，截断阀室管道及其上、下游各50m管道（其距离从输气站和阀室边界线起算）0.50.50.50.4人群聚集场所的管道0.50.50.50.4管道跨越强度设计系数工程等级大型中型小型设计系数跨越工程分类输气输油输气输油输气输油甲类0.40.450.450.50.50.55乙类0.50.550.550.60.60.65工程等级总跨长度（m）主跨长度（m）大型≥300≥500中型≥100～300≥50～150小型10050管道跨越工程等级关于地区类别的说明•管道安全性的两种观点：–强度控制–距离控制•本质安全是管道对周围建筑物安全的重要保障•设计系数——降低应力水平，提高安全度•地区类别划分：国内外略有差别•截断阀设置等安全管理的重要依据。1-4轴向应力与变形•产生轴向应力的原因：–温度变化–内压泊松效应–内压轴向作用（局部）1、热应力——两端固定管道在静不定结构中，温度变化将引起应力。P热伸长变形协调条件LTTL12EAPLL12TTEAEALLP求出12TTEAP热应力2、泊松效应泊松效应在管道中产生拉应力Ehp2phpDtsnsn==轴向应力和变形的两个分量：•压力分量（拉）——泊松效应；•温度分量（通常为压）；总的轴向应变（如果可以自由伸缩）：TEhtpL总的轴向应力（如果受到约束）：TEtpDa2例1-3：直径762mm管道，壁厚22.2mm，内压15MPa，温度变化90℃。管材的弹性模量E=210Gpa，泊松系数=0.3，线膨胀系数。试按上述公式计算轴向应力的泊松效应分量、温度分量以及总的轴向应力。解：泊松效应的应力分量为MPatpDap2.772.222762153.02温度应力分量MPatEat8.22690102.11021053总的轴向应力为MPaatapa6.1498.2262.77出（入）土段的管道应力与变形•过渡段——摩擦阻力与热伸缩力相平衡AlfasaPttEfAlEAfldxEAfllx220摩擦力sDpf土壤种类摩擦系数砂土:密实和中等密实的砾质砂和粗砂密实的中等粒度的砂子中等密度的中粒砂密实细砂中等密度的细砂密实粉砂中等密实的粉砂亚粘土:密实的亚粘土塑性亚粘土粘土:密实的粘土塑性粘土0.70/0.650.72/0.600.65/0.600.65/0.550.57/0.550.62/0.500.53/0.400.55/0.350.47/0.250.60/0.400.50/0.251-5固定支墩的设计计算•固定支墩的作用是防止管线的轴向运动。在地下管道出土进入泵房或阀室的地方和某些地下管道弯头的两侧，常需设置固定支墩来加以保护。固定支墩设计上的考虑–支墩受力平衡；–支墩不倾覆；–支墩下面的土壤有足够的耐压。一、固定支墩的受力平衡计算0HHbaaF管道作用在固定支墩上的推力tpDTTEAtpDtpDTTEAFa22.0241212安装温度—1T最大或最小运行温度—2T—泊松系数设计压力—p轴向力—aF横截面面积—A弹性模量—E膨胀系数—推力折减系数考虑到固定支墩不能绝对固定，稍有位移将使推力大大减小。工程上使用折减系数。折减系数取1/3~1/2。视具体情况而定：•重要出土处，取1/2~1/3；•跨越或架空管出土处，取1/2；•水下穿越两端的弯头处，取1/3；•地下埋土弯头（拐角15），取1/3~1/2。支墩的阻力•在支墩的四个面上存在土壤的摩擦力：–上部的的垂直压力为墩顶土重；–底部的垂直反力为墩顶土重和墩本身的重量；–左右面上的土压力。•支墩前后面上的土压力：–支墩后面受主动土压力；–支墩前面受被动土压力。支墩阻力的计算公式2452452212452220202000200000tgtgaHHHbtgHHHHababHTsss。凝土取支墩材料容重，对于混—；，一般取支墩与土壤的摩擦系数—支墩阻力；300/4.26.0~5.0—mtT支墩平衡的校核的条件为•K为安全系数，一般取K＝1.2。ф为折减系数PKT二、支墩的倾覆校核要求支墩在水平推力作用下不沿支墩的前边缘倾覆。aFHbHababHs000支墩倾覆的校核条件为HkFbHababHas2000。安全系数，一般取—式中2.1kk三、地耐压校核在推力和土重以及支墩自重的联合作用下，相当于偏心受压载荷，给地基的压力是不均匀的。aFHbHababHGsB000eminmax3babminmax21偏心距为列平衡方程并求解BaGHFeeGbbabGabBB3222minmaxminmaxbeabGbeabGBB6161minmax校核的条件为0min0max