埋地管道極限懸空長度分析與研究

武立偉 李 浩

（西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

1 前言

油氣管道承擔(dān)著我國油氣能源的遠(yuǎn)輸任務(wù)，被譽(yù)為國民經(jīng)濟(jì)的命脈。在長輸管道的運(yùn)行過程中，受不良地質(zhì)現(xiàn)象影響導(dǎo)致的大跨度懸空案例時有發(fā)生。大跨度懸空輕則引起管道大變形，大面積懸空、局部變形或集中，而導(dǎo)致較大的位移、屈曲或蠕變，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致管道斷裂破壞，給管道運(yùn)營帶來安全隱患。極限懸空長度是一個比較直觀的反應(yīng)埋地管道破壞程度的物理量。

2 極限懸空長度的研究

極限懸空長度是指埋地管道意外懸空時，使管道不至于拉斷時的最大跨度。管道跨度的大小取決于管材的強(qiáng)度、管子截面剛度、 外荷載的大小、 管道敷設(shè)的坡度以及管道允許的最大撓度。通常管道的跨度可按管子的強(qiáng)度和剛度兩個條件來確定。而極限懸空長度的大小取決于多個因素，其中包括管道的材料、直徑、壁厚、壓力、溫度、介質(zhì)和土壤環(huán)境等。對于極限懸空長度的研究首先要對懸空管道進(jìn)行力學(xué)模型的簡化。

2.1 埋地懸空管道的力學(xué)簡化

管道工程中，根據(jù)對土壤與管道作用的不同簡化，通常來說有以下幾種計算模型。

2.1.1 簡支梁模型

懸空管道可以簡化為由兩端支架固定的簡支梁，梁上端受由管道自身重力和介質(zhì)重力組成的均勻載荷q 的作用。管道受向外橫向拉力S 和向下均勻載荷重力q 的共同作用而發(fā)生彎曲、變形（圖1，其中L 為管道懸空長度）。

圖1

這種模型將懸空管道看做懸空梁，只考慮了懸空段管道自身的重力和介質(zhì)的重力，未考慮埋地段管道與地基間的相對彈性作用對未懸空段懸空管道的影響。因此計算不太精確，可以用來計算對于精度要求不高的小撓度、小跨度懸空管道的應(yīng)力。對于懸空管道的極限懸空長度不宜采用這種模型。

2.1.2 全彈性地基梁模型

將局部懸空的埋地鋼管兩端未懸空管道看作半無限長符合Winkler 假設(shè)的彈性地基梁。近似地認(rèn)為土壤物性、埋地鋼管的受力和變形關(guān)于a-a 軸對稱。

根據(jù)對稱性和連續(xù)性條件，局部懸空的埋地鋼管在A 點和B 點處兩端未懸空管道對中間懸空管道的作用以剪力P(等于ql/2)和彎矩m 代替，而剪力P 可進(jìn)一步用簡支支座代替。這樣，局部懸空埋地鋼管中間懸空管道的受力模型如圖2 所示。

圖2

這種模型利用Winkler 假設(shè)對未懸空埋地段進(jìn)行處理，認(rèn)為埋地段土壤是全彈性支撐。假定彈性地基上的沉降僅與該點的反壓力成正比而和其他點的應(yīng)力無關(guān)，將比例常數(shù)k 稱為地基反應(yīng)系數(shù)。但進(jìn)一步分析可知，懸空管道的出土段的地基土壤將發(fā)生塑性變形，將其進(jìn)行全彈性處理與實際不符。

2.1.3 彈塑性地基模型

圖3

管道意外懸空后，受自重載荷作用產(chǎn)生撓曲變形，此時兩側(cè)埋地段受拉伸力及土壤阻力共同作用發(fā)生彎曲變形。按照winkler 假定關(guān)于在垂直荷重與力矩作用下的彈性地基梁的統(tǒng)一內(nèi)力計算方法以及雙線性模型(彈塑性模型)如圖（3）所示。

這種模型將埋地段看做是有兩部構(gòu)成，一部分為彈性支撐工作區(qū)符合winkler 假定，另一部分為塑性支撐工作區(qū)。這樣既考慮了地基的連續(xù)整體性，又對地基進(jìn)行了符合實際的簡化，因而可以作為管道埋地管道極限懸空長度的計算基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文對三種懸空管道的力學(xué)模型進(jìn)行了對比分析，得出基于winkler 假設(shè)的彈塑型模型與實際情況最為符合，是極限懸空長度計算的最佳力學(xué)簡化模型。

[1]馬延霞等.成品油管道的極限懸空長度研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報，2012，4（4）.