埋地管道悬空应力分析

何乾伟,李　卓（.西南石油大学　石油与天然气工程学院；.西南石油大学　机电工程学院,成都　60500）

埋地管道悬空应力分析

何乾伟1,李卓2
（1.西南石油大学石油与天然气工程学院；2.西南石油大学机电工程学院,成都610500）

摘要：埋地管道在受到雨水、河流冲刷和地质灾害时，可能导致管道埋土流失，从而造成管道悬空，管道悬空会严重影响管道安全运行。考虑管道悬空部分伸长引起的轴向拉伸应力，以及由于悬空部分的伸长和过渡段的伸长引起的悬空管道下沉造成的弯曲应力，以弯曲应力和拉伸应力之和作为管道最大应力，以最大应力作为悬空管道应力计算值进行强度校核，并且计算出管道在悬空状态下所能承受的最大跨度。

关键词：埋地管道；悬空；安全；分析

1　引言

当埋地管道悬空时，其受力状态与地下管道相比发生了很大的变化，由管道荷载引起的下沉将导致轴向拉应力和弯曲应力的急剧增加，大大增加了管道的危险性，如在1994年，由于洪水的冲刷导致长庆油田元悦段多处悬空，造成了大量的经济损失。因此，埋地管道悬空段的应力分析对管道安全运行具有重要意义。

2　埋地悬空管道的应力分析

悬空管道由于受到荷载作用而伸长，管道伸长将产生轴向拉伸应力。由于管道伸长会引起悬空段的下沉，从而产生弯曲应力。管道的伸长由两部分组成，一部分来自悬空段，悬空段受到荷载被拉伸而引起管段伸长，另一部分来自管道过渡段，过渡段的伸长由悬空管段对过渡段的拉伸和过渡段的温度变化造成。以弯曲应力和拉伸应力之和作为管道最大应力，以最大应力作为悬空管道应力计算值进行强度校核，并且计算出管道在悬空状态下所能承受的最大跨度。图1为悬空管道模型。

图1　悬空管道模型

h1悬空管道由于受到荷载作用而伸长；l悬空跨度

E管材的弹性模量

D管道直径δ管道壁厚

μ土壤与管道间的摩擦系数；ρ土壤密度；H管道埋深

α管材线膨胀系数；△t管道操作温度与安装温度之差

（8）悬空管段下沉总高度等于悬空部分荷引起的管段下沉高度和△l2引起的悬空段下沉高度叠加之和：h=h1+h2（8）

（9）将悬空管段中间部分按圆弧处理，其曲率半径为R：

Z管道的截面系数；η管道环向焊缝系数

实例计算：

悬空部分荷引起的管段下沉高度h1=3m，悬空跨度ι=200m，管道过渡段操作温度与安装温度差Δt=20℃，管道埋深H=1m，管道与土壤间的摩擦系数μ=0.5，土壤密度ρ=1800Kg/m3，管道弹性模量200×109Pa，管道规格Φ159mm×6mm，管道的线膨胀系数=1.22×10-5/℃，管道的许用应力[ρ]=400MPa。管道环向焊缝系数η=0.8，管道的荷载q=200N/m（注：Z=π(D4-d4)/(32D)）

将数据带入公式（1）～（12）计算得：

h=5.7m σx=120MPa σb=36MPa σmax= 156MPa

拉伸应力在悬空段最大应力中所占的比例M=77%

弯曲应力在悬空段最大应力中所占的比例N=23%

管道不因强度条件而破坏的最大跨度lmax=233m

3　结论

由计算可知σmax＜[σ]，且l＜lmax，所以在上述条件下，管道不会因强度条件而破坏，但该管道在200米悬空的情况下，管道的下沉高度达到了5.7m，这将严重影响管道的安全运行，若不及时抢修，管道的悬空段可能由于雨水冲刷等条件而继续延长，当悬空长度达到233m时，管道就可能因为强度不够而断裂，这将造成巨大的损失。在一般情况下，拉伸应力在悬空管道总应力中所占比例相对较大。在实际工程中，由于管道的悬空会造成巨大的经济损失，所以，在管道设计时应充分考虑管道所处地段的降雨量、地质状况，做好管道的运营管理工作，当发现管道悬空或管道埋土被破坏时应及时抢修，避免因悬空段过长而对管道造成的破坏。

参考文献：

[1]帅健,于桂杰.管道及储罐强度设计[M].北京:石油工业出版社,2006:174-237.

作者简介：何乾伟，男，西南石油大学 2012级 本科生。