長輸鋼制管線抗外部荷載核算

許世芹，任重海，屈 寧 王曉龍，耿東樊，龔 瑤

(中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 濮陽 457001)

長輸鋼制管線抗外部荷載核算

許世芹，任重海，屈 寧 王曉龍，耿東樊，龔 瑤

(中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 濮陽 457001)

詳細(xì)介紹了中石化國際石油工程有限公司與沙特農(nóng)業(yè)部簽署的國際EPCC總承包項(xiàng)目沙特農(nóng)業(yè)部長輸水管線工程中長輸鋼制管材抗外部荷載能力核算方法，分別采用AWWA M11要求的計(jì)算方法和有限元模型對(duì)鋼管的穩(wěn)定性和極限狀態(tài)下的剛度進(jìn)行分析計(jì)算，為設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和依據(jù)。

鋼管；抗外部荷載能力；穩(wěn)定性；極限狀態(tài)；剛度

沙特農(nóng)業(yè)部長輸水管線工程是中石化國際石油工程有限公司與沙特農(nóng)業(yè)部簽署的國際EPCC總承包項(xiàng)目，總投資1.97億美元。工程主要包括輸水能力200000m3/d的DN 1500mm鋼管184.75km、2座加壓泵站和1座螺旋泵站。管線投資1.55億美元，占總投資78.68%。因此，該工程能否成功與安全運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)是管線部分。此外，管線路由沿沙特高速公路路邊敷設(shè)，因此壁厚選取和抗外部荷載能力核算成為重中之重。下面，筆者詳細(xì)介紹了沙特農(nóng)業(yè)部長輸水管線工程中長輸鋼制管材抗外部荷載能力核算方法。

1 基本條件

管線、管件和閥門設(shè)計(jì)工作壓力(11～16)bar(1bar=10mHg),采用API 5L X60材質(zhì)鋼管。管材和管件應(yīng)適于承受輪載4×200kN+8×65kN外部地面荷載、埋深1.2～6m的條件。根據(jù)以上條件，擬采用X60材質(zhì),1524×9.53mm鋼管。

2 抗外部荷載能力核算

為保證管材滿足外部荷載要求，擬采用以下2種方法計(jì)算。

2.1AWWAM11鋼管設(shè)計(jì)和安裝規(guī)范

2.1.1穩(wěn)定性計(jì)算

內(nèi)部的真空壓力和活載通常不會(huì)同時(shí)被考慮，計(jì)算與材料的屈服強(qiáng)度無關(guān)，只與彈性模量有關(guān)，這一計(jì)算結(jié)果適用于所有的鋼材：

式中，qa為允許屈服壓力，kPa；FS為設(shè)計(jì)系數(shù)，取 2.0；Rw為水的浮力系數(shù)，一般取值1～0.33(hw/h)， 0 ≤hw≤h，hw為管頂以上的水面高度，m；h為管頂以上的地面高度，m；B′為彈性支座的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，B′=1/(1+4e(-0.213H)),H為管上填充高度，m；EI為管材韌度,kN/m;E′為綜合變形模量，kPa；D為管外徑，mm。

正常安裝的管道外部荷載計(jì)算通常使用如下公式：

式中，γw為水的比重,9.8kN/m3;Pv為內(nèi)部真空壓力，kPa；Wc為管上的標(biāo)準(zhǔn)土壓，kN/m。

如果考慮活荷載，變形計(jì)算公式如下:

式中，WL為地面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m。

表1 穩(wěn)定性核算

穩(wěn)定性核算結(jié)果如表1，由表1計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定性滿足要求。

2.1.2極限狀態(tài)變形核算

極限狀態(tài)下的變形核算主要依據(jù)如下公式：

式中，Δx為管道的水平偏轉(zhuǎn)，mm；DI為偏轉(zhuǎn)系數(shù)，一般取值1～1.5；K為墊層常數(shù)，取0.1；r為管半徑,mm;W為單位長度荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m。極限狀態(tài)下的變形核算計(jì)算結(jié)果如表2，結(jié)果表明滿足要求。

2.2有限元分析法

2.2.1有限元模型

計(jì)算軟件ABAQUS V6.5，實(shí)體模型參數(shù)如下： 管道幾何參數(shù)：D=1524mm，t=9.53mm，L=20m；管道力學(xué)參數(shù)：X60，E=206GPa，SMYS=420MPa，v=0.3，γ=78.5kN/m3；土體幾何參數(shù)：L=20m，W=20m，H=16m；土體力學(xué)參數(shù)：E=5.83MPa，v=0.4，γ=19kN/m3；管土摩擦系數(shù)f=0.6。

單元?jiǎng)澐秩缦拢艿溃簹卧猄4R，396個(gè)；土體：實(shí)體單元C3D8R，16038個(gè)；邊界條件：模型底面：法向位移約束；模型側(cè)面：法向位移約束；豎向剖面：對(duì)稱約束；載荷條件：管道上覆土體重力；地面載荷(面積1.524m×2m)；管道內(nèi)壓(2.1MPa)和溫度(溫差20℃)。

2.2.2計(jì)算結(jié)果與分析(管頂覆土深6m)

1)上覆土體重力 管道最大等效應(yīng)力63.8MPa，位于管道圓形截面中部，管道徑向最大變形25.9mm，最大徑向變形率25.9/1524=0.017。

2)上覆土體重力+地面載荷 ①地面載荷10.5kN/m2。管道最大等效應(yīng)力73.4MPa，位于管道圓形截面中部，管道徑向最大變形29.7mm，最大徑向變形率29.7/1524=0.019。②地面載荷10.5kN/m2+管道內(nèi)壓2.1MPa+溫差20℃。管道最大等效應(yīng)力158.1MPa，位于管道圓形截面底部，管道徑向最大變形10.5mm，最大徑向變形率10.5/1524=0.007。內(nèi)壓和溫差增加管道應(yīng)力水平，同時(shí)增加管道剛度、抵抗管道徑向變形。③地面載荷180kN/m2。管道最大等效應(yīng)力81.1MPa，位于管道圓形截面中部，管道徑向最大變形32.5mm，最大徑向變形率32.5/1524=0.021。④地面載荷180kN/m2+管道內(nèi)壓2.1 MPa+溫差20℃。管道最大等效應(yīng)力160.3MPa，位于管道圓形截面底部，管道徑向最大變形11.7mm，最大徑向變形率11.7/1524=0.008。

3)地面載荷極限分析 ①剛度條件(管道最大徑向變形率=0.03，按管道無內(nèi)壓和溫度計(jì)算)：地面載荷550kN/m2，管道徑向最大變形45.7mm，管道最大等效應(yīng)力117.5MPa。②強(qiáng)度條件(管道最大等效應(yīng)力=0.9×420MPa=378MPa，按管道有內(nèi)壓和溫度計(jì)算)：地面載荷達(dá)到2500kN/m2時(shí)土體發(fā)生塑性坍塌，計(jì)算終止，管道徑向最大變形33.3mm，管道最大等效應(yīng)力262.7MPa。

2.2.3計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果如表3、表4和表5(管頂覆土深1.2m) 。由表3可知：①極限載荷。當(dāng)?shù)孛孑d荷為442kN/m2時(shí)，管道最大徑向變形率為0.03。②地面荷載(車輛荷載)。95.3kN/m2，最大變形1%，小于3%滿足要求。由表4可知：①極限載荷。當(dāng)?shù)孛孑d荷為417kN/m2時(shí)，管道最大徑向變形率為0.03。②地面荷載(車輛荷載)。95.3kN/m2，最大變形1%，小于3%滿足要求。由表5可知：①極限載荷。當(dāng)?shù)孛孑d荷為1349kN/m2時(shí)，管道最大等效應(yīng)力379MPa。②地面荷載(車輛荷載)。95.3kN/m2，最大變形0.3%，小于3%滿足要求。

表3 上覆土體重力+地面載荷

表4 上覆土體重力+負(fù)壓(-0.05MPa) +單位長度地面載荷

表5 覆土體重力+內(nèi)壓(2.1MPa)+溫度(20℃)+單位長度地面載荷

綜上計(jì)算與分析可知，采用API 5L X60,1524×9.53mm鋼管滿足強(qiáng)度和剛度要求。

[編輯] 洪云飛

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

TU525

A

1673-1409(2012)12-N140-03