厂房*暖设备金属软接头：黄土湿陷区暗悬管道.限跨度分析

通过对某在役管道2014、2015年汛期调查，查明发生地质灾害191处，其中河沟道水毁40处，坡面水毁28处，阀室问题6处，黄土湿陷111处，滑坡6处，分别占21%、15%、3%、58%和3%，判定黄土湿陷是该段管道所遭受的主要地质灾害。其机理作用是，管道埋置于地表黄土地层1.5 m左右，在农田灌溉、雨水冲刷等作用下，黄土.易发生湿陷，引发管道基础不均匀沉降，严重时，会使管沟土体流失，导致管道外露或暗悬。当管道自身承载力不足时，管道会发生较大变形弯曲或者弯折破裂，造成管道无法正常使用。

1　研究目的

（1）确定管道暗悬的.限跨度

根据管道在运营中的使用条件，研究管道在管底土体沉陷、冲毁等支撑条件改变后，满足安全运营需要的.限暗悬长度（.限跨度），并能准确快速的计算出来。

（2）确定管道的安全跨度

结合管道受力.点，针对管道可能的暗悬，确定其安全跨度，设置刚性支墩。

2　管道暗悬受力模型

2.1 建模思路及参数

2.1.1 建模思路

根据《油气输送管道跨越工程设计规范》（GB50459-2009）5.1.3之规定，从暗悬管道的约束条件、管道本体材质、输送介质的参数等情况，分析管道结构的受力状态，确定地下管道在工作状态下的应力分布规律，实际状况下管道暗悬段两端为固定端约束，忽略活荷载等因素的影响，将管道简化为简支梁进行计算。分别通过强度和挠度条件计算暗悬管道在均布荷载作用下的.限跨度。

2.1.2模型参数

（1）管径：管道干线管径为 508 mm；

（ 2 ） 壁 厚 ： 该 处 取 管 道 的 平 均 厚 度 ，即 9.9 mm；（3）黄土性质：参考《工程地质手册》（.四版）中表5-1-9“我*西部四个城市湿陷性黄土的性质指标”中兰州市的取值，覆土为黄土，密度ρ₁=1.33 t/m³ ；

（4）管道工作压力：2016年4月8日14时17分，调度室的瞬时压力为9.29 MPa；

（5）输送介质密度：柴油密度0.81-0.84 t/m³；汽油密度0.73-0.74t/m³；原油密度0.84-0.86t/m³，油品密度按.不利情况选取ρ₂=0.85 t/m³ 。

（6）管道材质：管道材料为X60（L415），钢管容重：ρ₃=7.85t/m³；钢材弹性模量：E=206×10³ N/mm² ；钢材线性膨胀系数α=12×10^-6（1/℃）；X60（L415）的屈服强度为 415 MPa。

2.2 管道外力荷载

（1）管道周围土压力

土中应力包含土中自重应力和附加应力，土的自重应力是由土的自重产生，附加应力为作用在土层.部表面的活荷载所产生（作用力较小，文中忽略不计）。对于地下2 m处管道，管.土体自重应力按土体竖直方向施加于管道上半部分外表面的应力计算，管道上部土压力q₁=ρ₁·H·D·g 。

（2）管道自重

管道自重根据管道材料的容重和体积计算，q ₂=π·(D² -d² )/4·ρ₃·g 。

（3）管道内油品重

管道油品的重量根据管道内部体积和输送油品的密度计算， q ₃=π ·d²/4·ρ₂·g 。

2.3 管道内力条件

根据《油气输送管道跨越工程设计规范》（GB50459-2009）“6.2 管道强度及稳定性计算”。 

3　管道暗悬跨度的确定

3.1 模型条件

（1）分析模型

假设管道在运营过程中由于支撑土体的改变而出现了暗悬，暗悬仅出现在*个位置，如图1。此时管道可看作是两侧无限弹性支承、而中间悬空的单跨结构。 

图?1?管道暗悬示意

根据上述建模方式建立中间具有悬空长度L的计算模型，施加工作压力、土压力、管道自重和油自重等外部荷载，计算悬空长度L下管道的应力，计算模型如图2所示。

图?2?管道暗悬分析模型

（2）判别条件

为了确定管道暗悬的.限跨度，结合管道材料、相关规范的计算结果，建立影响安全使用的判别条件。

①强度条件。管道在正常运行状况下为空间受力状态，衡量其强度状态的指标是管道的屈服强度。结合《油气输送管道跨越工程设计规范》（GB 50459-2009）中6.2.5规定，强度验算应满足：

②挠度条件。根据《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）中3.5.1规定：

对比管道在强度条件和挠度条件下得出的管道.大悬空长度可知，该管道暗悬的.限跨度14.69 m。

根据《油气输送管道跨越工程设计规范》（GB 50459-2009）中3.1.3规定，本文暗悬为输油管道小型乙类跨越，设计系数取0.65。所以，该管道的安全跨度为9.54 m。

4　结论及建议

（1）该管道的.限跨度为14.69 m，在确保暗悬不影响管道正常运营情况下，建议设置刚性支墩的安全跨度为9.54 m。

（2）加强地基的夯填、增强地基的整体刚度等，减少地基不均匀下沉。

作者：刘小晖， 1986年生，安徽阜阳人，工程师，研究方向为地质环境保护