埋地管道固定墩推力的计算方法

埋地管道固定墩推力的计算方法

高国庆

中国天辰工程有限公司 天津 300400

摘要:埋地的输油输气管道敷设温度与管道工作温度存在温差，管道膨胀产生位移造成管道弯头、三通变形破坏。为防止事故，发生管道弯头、三通附近需设置固定墩。结合工程实例介绍固定墩推力的计算方法。

关键词:埋地管道；固定墩；CAESAR II；

1. 概述:

管道埋地敷设与架空敷设相比具有不受地形限制、节省地上空间、可长期稳定运行等优点，长距离输送管道尤其适合采取埋地敷设的方式。

埋地管道的应力状态与架空管道有很大不同，埋地管道与土壤存在相互作用，大多数情况下埋地管道敷设温度与管道工作温度存在一定温差，管道会产生热胀冷缩，而土壤对管道的摩擦力会限制管道的轴向位移，埋地管道在没有弯头、三通的长直管段由于受到土壤的连续约束，随着长度的增加，管道受到的土壤的约束力也越来越大，当土壤摩擦力能完全约束管道的轴向位移时，管道就出现了自然锚固点，该点后的管道与土壤完全锚固，这就是埋地管道的自然锚固现象，这部分管段管道状态是稳定的，但在非锚固段的弯头、三通处，由于温差应力产生较大位移，容易造成弯头、三通的破坏。在工程中一般采取在位移较大的弯头、三通附近的直管段上合理设置固定墩限制管道的热位移，以保证管道的安全运行。

为了有效地限制埋地管道的轴向位移，随着管径、温度的增大，固定墩的推力也越来越大，从而造成固定墩的尺寸也越来越大，需要消耗大量的混凝土，在保证管道安全的情况下，尽量减小固定墩的推力，对降低施工难度，节省投资至关重要。

2. 埋地管道固定墩推力的计算方法:

固定墩设计的关键是计算出管道对固定墩的推力。崔孝秉的理论计算公式比较全面的考虑了埋地管道的情况，计算结果比较接近于实际情况，但涉及参数过多，计算过于复杂，不太适合工程应用。

2.1 利用简化公式计算固定墩的推力

现在工程上普遍采用的是潘家华推荐的固定墩推力的计算公式：F=A(E α ∆T - μ σh + 0.5 σh) (2-1)

式中： F --- 固定墩承受的推力，N；

A --- 钢管截面积，mm2 ；

E --- 钢材弹性模量，MPa；

α --- 钢材线膨胀系数，mm/mm 0C；

∆T --- 温差，0C

μ --- 泊松比；

σh --- 管道的环向应力，MPa；

σh =Pd/2t (2-2)

p --- 管道内压，MPa；

d --- 管道内径，mm；

t --- 管道壁厚，mm。

公式2-1忽略了三个方面的影响（见图2.1.1）：

（1）土壤对管道的轴向摩擦力

埋地管道固定墩会有一定的位移量，从而固定墩和弯头之间管道也会产生一定位移。那么土壤由于该段管道的轴向位移而产生一个轴向摩擦力，从而减小固定墩的推力。

（2）弯头的土壤反力

弯头位移时，土壤的反力也可以减小固定墩的推力。

（3）弯头变形的弹性反力

由于埋地管道固定墩会有一定的位移量，弯头变形的弹性反力也可以减少一些固定墩的推力。

图2.1.1

因此使用公式2-1计算得到的固定墩推力值一定比实际值大，工程设计时一般根据经验取计算值的1/3~1/2做为固定墩的设计推力值。设计推力值的折减系数根据工程经验判断，缺少足够的理论依据，可能比实际偏大或偏小，从而造成浪费或运行的安全隐患。

2.2 利用CAESARII软件估算固定墩的推力

随着管道应力分析软件的普及，很多工程公司都采用计算软件对管道进行力学分析。很多计算软件都有针对埋地管道的应力分析模块。CAESARII是应用广泛的专业管道应力分析软件，是基于梁单元的有限元分析程序。内置埋地管道的分析模块，通过设置土壤的各项参数来模拟土壤对管道的约束。简化公式忽略的三方面影响，CAESARII软件都能通过给埋地管模拟设置弹性约束予以考虑。埋地管道拟设置固定墩的位置可在软件内设置成ANC约束，就可以比较准确的计算出固定墩的推力。

下面通过土耳其某项目一根埋地管道来具体说明如何使用CAESARII软件估算固定墩推力。管道走向见图2.2.1。

图2.2.1

埋地管道外径610mm，壁厚38.89mm，最高操作温度1200C，管道埋地施工温度为100C，设计压力22Mpa，埋地深度2600mm。管道从节点10埋地敷设，在节点130处出地面。

使用CAESARII软件进行管道建模，然后进入埋地管道分析模块，根据项目所在地土壤的性质，输入土壤参数，建立土壤约束模型进行埋地管道模型分析，结果显示节点100处应力超过许用应力23%。这是由于节点10到节点100直管段较长，节点100位移较大造成的，需要在节点10到节点100间靠近节点100处设立固定墩（增加节点75）。

在CAESARII的输入界面，在节点75处设置固定约束（ANC），见图2.2.2

图2.2.2

计算后会发现该节点固定墩的推力大约680吨，而弯头处的二次应力范围达到允许值的60%，由于二次应力范围还有余量，所以没必要要求75点完全固定（位移量为零），通过释放该节点的部分位移可以进一步降低固定墩的推力。

在节点75固定约束处Stif栏输入一个刚度值，把该处固定墩模拟成带有一定刚度的固定约束。该刚度值的大小可以先假定一个值，计算后看一下应力计算结果，建议二次应力范围控制在80%以下为宜。

图2.2.3

经过反复验算，输入图2.2.3的刚度值计算后，弯头处的二次应力达到允许值的80%，该节点固定墩的推力降到了420吨，通过调整刚度值反复试算的方法可以求得在满足应力校核条件前提下固定墩的最小推力值。将计算的固定墩推力值提交结构专业，并根据应力计算报告内该处的位移量和载荷选择合适的固定墩形式。

2.3固定墩推力两种计算法的比较

上述例题如果采用潘家华的简化公式计算，可以求得固定墩推力F为1915吨，根据工程经验折减1/3~1/2，大约在638.3~957.5吨。不考虑固定墩柔性时，CAESARII软件的计算值680吨在简化公式计算值（折减后）的范围内。通过对比表明，潘家华简化公式计算法（折减后）还是比较可靠的，但偏保守。

3. 小结

与利用潘家华简化公式法计算固定墩推力相比，使用应力分析软件CAESARII设置好土壤模型参数，可以比较精确、全面的模拟埋地管道固定墩的受力情况，在保证应力分析合格的前提下，可以充分利用许用应力范围的裕量，通过设置柔性固定墩模型，可进一步降低固定墩推力，从而节约投资和降低施工难度。在条件允许的情况下，应尽量采用CAESARII软件计算固定墩推力。

参考文献

潘家华 埋地管道强度设计中存在的一些问题 油气储运 1985年第四卷第三期

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