基于简明支架理论的管道最大悬空长度计算分析

贾 帅， 王志学， 许建华， 董一瑾

（1. 中航油京津冀物流有限公司， 天津 300000； 2. 河北工业大学， 天津 300300）

随着油气储运技术的发展， 管道成为油气运输的主要方式。 由于长输管道跨越范围大、 输送距离长， 管道铺设地理环境复杂， 各种地质灾害频发， 如山体滑坡、 洪水、 水土流失、 坍塌、 地质不均匀沉降等造成管道的悬空； 其他工程建设如管道交叉、 道路修建等需要开挖管道造成管道悬空， 另外管道本身的维修维护也会造成管道短时间悬空状态[1-8]。 不同情况造成管道悬空时间长短不一， 悬空长度也不同， 因此会造成管道变形， 如果发生塑性变形则会严重损伤管道， 威胁管道安全[9-13]。 研究不同管道最大悬空长度， 确保管道始终处于安全状态十分必要。 准确计算管道的最大悬空长度， 指导管道的维修维护， 可为管道的抢险、 第三方施工建设提供依据。

1 管道最大悬空长度计算原则

按照简明支架力学理论， 把管道悬空状态简化为两段固定支座的简单支架， 土体对管道为硬支撑， 不考虑土的弹塑性变形， 管道载荷均匀分布。 根据《简明管道支架计算及构造手册》 给出一般工业管道和石油石化管道允许跨距计算公式[14-15]， 管道重力弯曲不应超过管材的许用外载弯曲应力， 以保证管道的安全， 这是按照管道强度条件下计算管道允许跨距。 同时由于管道弯曲变形会产生一定的挠度， 一般管道设计挠度不应该超过15 mm， 装置外石油石化管道挠度最大为38 mm。 根据挠度限制确定管道允许跨距， 即按照刚度计算校核。 管道最大的悬空长度的计算应按照强度和刚度两个条件进行， 取两者中较小的值作为推荐的最大允许长度。

2 石油石化管道最大悬空长度计算

2.1 按强度计算

按照《简明管道支架计算及构造手册》 中石油化工管道相关内容， 按强度计算公式为

将公式 （2）、 公式 （3）、 公式 （4） 带入公式（1） 可得

从以上计算可以看出， 管道最大悬空长度与设计系数、 焊缝系数、 钢管的材质、 壁厚相关，同时还与输送流体相关。

2.2 按刚度计算

按照强度计算的最大悬空长度还应该按照刚度进行校核， 以保证满足挠度变形的要求。 按刚度计算公式为：

3 实际案例计算

某输油管道DN600 mm 管段， 材质L415M，设计系数0.6， 直缝焊管道系数0.8， 最低屈服强度415 MPa， 外径610 mm， 内径601.2 mm；DN500 mm 管段外径508 mm， 内径500 mm， 钢的密度7.85×103kg/m3， 油的密度0.8×103kg/m3。DN600 mm 管道按照强度计算最大悬空长度为20.16 m， 按刚度计算最大悬空长度为18.92 m；DN500 mm 按强度计算最大悬空长度为19.14 m，按刚度计算最大悬空长度为17.49 m。

某机场输油管道材质X56， 外径323.9 mm， 内径316.9 mm， 壁厚7 mm， 最小屈服强度386 MPa，设计系数为0.72， 按照强度计算最大悬空长度为15.77 m， 按刚度计算最大悬空长度为14.89 m。

某管道外径323.9 mm， 内径317.5 mm， 壁厚6.4 mm， 材质X52， 最小屈服强度358 MPa。按照强度计算最大悬空长度为16.84 m， 按刚度计算最大悬空长度结果为14.65 m。

4 一般工业管道最大悬空长度计算

4.1 按强度计算

管道单位长度计算荷载等于单位长度管道质量与管道中液体质量之和乘以重力加速度， 悬空管道处于静止状态， 不考虑风阻。

4.2 按刚度计算

将上述四种不同规格类型的管道带入进行计算， 结果如下： DN600 mm 管道按照强度进行计算最大悬空长度18.25 m， 按刚度计算为20.93 m；DN500 mm 按强度计算最大悬空长度为17.33 m，按刚度计算最大悬空长度为18.98 m； 管道外径323.9 mm， 材质X56 管道按强度进行计算最大悬空长度为14.35 m， 按刚度计算最大悬空长度为15.16 m； 外径323.9 mm， 材质X52 管道按强度进行计算最大悬空长度15.64 m， 按刚度计算最大悬空长度为14.85 m。

管道最大悬空长度按照强度进行计算， 同时进行挠度限制， 刚度计算进行校核， 取最小值以保证管道安全， 结果见表1。

表1 不同计算方法得到的管道最大悬空长度结果对比

通过计算结果对比分析得出： 管径越大， 管道最大的容许悬空长度越长； 同一管径， 壁厚较大的管道安全悬空长度越长。 石油石化管道与一般工业管道计算公式不同， 得出结果基本一致，两者都是基于简明支架力学理论， 在实际工程应用中两种方法都适用。 该方法对管道悬空两段的土地假设为硬支撑， 没有考虑土体的塑性变形，在实际应用中可以根据地质情况适当缩短悬空长度， 以确保管道的安全。

5 结束语

石油石化管道与一般工业管道计算公式不同， 得出结果基本一致， 在实际工程应用中两种方法都适用。 管径越大， 管道最大的容许悬空长度越长； 同一管径， 壁厚较大的管道安全悬空长度越长。 基于简明管道支架力学理论， 对不同规格的管道在安全条件下最大悬空长度进行计算，为管道地质灾害防治、 第三方施工开挖、 维修、建设等提供数据支撑， 可供其他管道从业技术管理人员进行参考借鉴。