长输钢制管线抗外部荷载核算

许世芹，任重海，屈 宁 王晓龙，耿东樊，龚 瑶

(中原石油勘探局勘察设计研究院，河南 濮阳 457001)

长输钢制管线抗外部荷载核算

许世芹，任重海，屈 宁 王晓龙，耿东樊，龚 瑶

(中原石油勘探局勘察设计研究院，河南 濮阳 457001)

详细介绍了中石化国际石油工程有限公司与沙特农业部签署的国际EPCC总承包项目沙特农业部长输水管线工程中长输钢制管材抗外部荷载能力核算方法，分别采用AWWA M11要求的计算方法和有限元模型对钢管的稳定性和极限状态下的刚度进行分析计算，为设计提供技术支持和依据。

钢管；抗外部荷载能力；稳定性；极限状态；刚度

沙特农业部长输水管线工程是中石化国际石油工程有限公司与沙特农业部签署的国际EPCC总承包项目，总投资1.97亿美元。工程主要包括输水能力200000m3/d的DN 1500mm钢管184.75km、2座加压泵站和1座螺旋泵站。管线投资1.55亿美元，占总投资78.68%。因此，该工程能否成功与安全运行的关键点是管线部分。此外，管线路由沿沙特高速公路路边敷设，因此壁厚选取和抗外部荷载能力核算成为重中之重。下面，笔者详细介绍了沙特农业部长输水管线工程中长输钢制管材抗外部荷载能力核算方法。

1 基本条件

管线、管件和阀门设计工作压力(11～16)bar(1bar=10mHg),采用API 5L X60材质钢管。管材和管件应适于承受轮载4×200kN+8×65kN外部地面荷载、埋深1.2～6m的条件。根据以上条件，拟采用X60材质,1524×9.53mm钢管。

2 抗外部荷载能力核算

为保证管材满足外部荷载要求，拟采用以下2种方法计算。

2.1AWWAM11钢管设计和安装规范

2.1.1稳定性计算

内部的真空压力和活载通常不会同时被考虑，计算与材料的屈服强度无关，只与弹性模量有关，这一计算结果适用于所有的钢材：

式中，qa为允许屈服压力，kPa；FS为设计系数，取 2.0；Rw为水的浮力系数，一般取值1～0.33(hw/h)， 0 ≤hw≤h，hw为管顶以上的水面高度，m；h为管顶以上的地面高度，m；B′为弹性支座的经验系数，B′=1/(1+4e(-0.213H)),H为管上填充高度，m；EI为管材韧度,kN/m;E′为综合变形模量，kPa；D为管外径，mm。

正常安装的管道外部荷载计算通常使用如下公式：

式中，γw为水的比重,9.8kN/m3;Pv为内部真空压力，kPa；Wc为管上的标准土压，kN/m。

如果考虑活荷载，变形计算公式如下:

式中，WL为地面活荷载标准值，kN/m。

表1 稳定性核算

稳定性核算结果如表1，由表1计算结果可以发现，稳定性满足要求。

2.1.2极限状态变形核算

极限状态下的变形核算主要依据如下公式：

式中，Δx为管道的水平偏转，mm；DI为偏转系数，一般取值1～1.5；K为垫层常数，取0.1；r为管半径,mm;W为单位长度荷载标准值，kN/m。极限状态下的变形核算计算结果如表2，结果表明满足要求。

2.2有限元分析法

2.2.1有限元模型

计算软件ABAQUS V6.5，实体模型参数如下： 管道几何参数：D=1524mm，t=9.53mm，L=20m；管道力学参数：X60，E=206GPa，SMYS=420MPa，v=0.3，γ=78.5kN/m3；土体几何参数：L=20m，W=20m，H=16m；土体力学参数：E=5.83MPa，v=0.4，γ=19kN/m3；管土摩擦系数f=0.6。

单元划分如下，管道：壳单元S4R，396个；土体：实体单元C3D8R，16038个；边界条件：模型底面：法向位移约束；模型侧面：法向位移约束；竖向剖面：对称约束；载荷条件：管道上覆土体重力；地面载荷(面积1.524m×2m)；管道内压(2.1MPa)和温度(温差20℃)。

2.2.2计算结果与分析(管顶覆土深6m)

1)上覆土体重力 管道最大等效应力63.8MPa，位于管道圆形截面中部，管道径向最大变形25.9mm，最大径向变形率25.9/1524=0.017。

2)上覆土体重力+地面载荷 ①地面载荷10.5kN/m2。管道最大等效应力73.4MPa，位于管道圆形截面中部，管道径向最大变形29.7mm，最大径向变形率29.7/1524=0.019。②地面载荷10.5kN/m2+管道内压2.1MPa+温差20℃。管道最大等效应力158.1MPa，位于管道圆形截面底部，管道径向最大变形10.5mm，最大径向变形率10.5/1524=0.007。内压和温差增加管道应力水平，同时增加管道刚度、抵抗管道径向变形。③地面载荷180kN/m2。管道最大等效应力81.1MPa，位于管道圆形截面中部，管道径向最大变形32.5mm，最大径向变形率32.5/1524=0.021。④地面载荷180kN/m2+管道内压2.1 MPa+温差20℃。管道最大等效应力160.3MPa，位于管道圆形截面底部，管道径向最大变形11.7mm，最大径向变形率11.7/1524=0.008。

3)地面载荷极限分析 ①刚度条件(管道最大径向变形率=0.03，按管道无内压和温度计算)：地面载荷550kN/m2，管道径向最大变形45.7mm，管道最大等效应力117.5MPa。②强度条件(管道最大等效应力=0.9×420MPa=378MPa，按管道有内压和温度计算)：地面载荷达到2500kN/m2时土体发生塑性坍塌，计算终止，管道径向最大变形33.3mm，管道最大等效应力262.7MPa。

2.2.3计算结果与分析

计算结果如表3、表4和表5(管顶覆土深1.2m) 。由表3可知：①极限载荷。当地面载荷为442kN/m2时，管道最大径向变形率为0.03。②地面荷载(车辆荷载)。95.3kN/m2，最大变形1%，小于3%满足要求。由表4可知：①极限载荷。当地面载荷为417kN/m2时，管道最大径向变形率为0.03。②地面荷载(车辆荷载)。95.3kN/m2，最大变形1%，小于3%满足要求。由表5可知：①极限载荷。当地面载荷为1349kN/m2时，管道最大等效应力379MPa。②地面荷载(车辆荷载)。95.3kN/m2，最大变形0.3%，小于3%满足要求。

表3 上覆土体重力+地面载荷

表4 上覆土体重力+负压(-0.05MPa) +单位长度地面载荷

表5 覆土体重力+内压(2.1MPa)+温度(20℃)+单位长度地面载荷

综上计算与分析可知，采用API 5L X60,1524×9.53mm钢管满足强度和刚度要求。

[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.045

TU525

A

1673-1409(2012)12-N140-03