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 機械工程學院，陜西 西安 710065）

1 前言

油氣管道承擔著我國油氣能源的遠輸任務，被譽為國民經濟的命脈。在長輸管道的運行過程中，受不良地質現象影響導致的大跨度懸空案例時有發生。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，而導致較大的位移、屈曲或蠕變，嚴重時甚至導致管道斷裂破壞，給管道運營帶來安全隱患。極限懸空長度是一個比較直觀的反應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度、管子截面剛度、 外荷載的大小、 管道敷設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、介質和土壤環境等。對于極限懸空長度的研究首先要對懸空管道進行力學模型的簡化。

2.1 埋地懸空管道的力學簡化

管道工程中，根據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 假設的彈性地基梁。近似地認為土壤物性、埋地鋼管的受力和變形關于a-a 軸對稱。

根據對稱性和連續性條件，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 假設對未懸空埋地段進行處理，認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力無關，將比例常數k 稱為地基反應系數。但進一步分析可知，懸空管道的出土段的地基土壤將發生塑性變形，將其進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，受自重載荷作用產生撓曲變形，此時兩側埋地段受拉伸力及土壤阻力共同作用發生彎曲變形。按照winkler 假定關于在垂直荷重與力矩作用下的彈性地基梁的統一內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成，一部分為彈性支撐工作區符合winkler 假定，另一部分為塑性支撐工作區。這樣既考慮了地基的連續整體性，又對地基進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。

3 結論

本文對三種懸空管道的力學模型進行了對比分析，得出基于winkler 假設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].西南石油大學學報，2012，4（4）.