油气站场输油管道埋深计算模型的确立及应用.pdf

第5 期 2 1 油气站场输油管道埋深计算模型的确立及应用 于倩秀 中国石化管道储运公司华东管道设计研究院，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 [ 摘要]阐述了站内 过路输油管道埋深计算模型的建立过程， 运用模型对某站内榆油管道进行了 分析计算，计算结果表明采 用该模型可以对站内输油管道埋深进行有效分析。 [ 关键词]油气站场；输油管道；埋深计算模型 油气站场站 内输油管道穿越 消防道路或其 它 道路普 遍采用套管穿越方式 。随着冶金、制管 、 施工、焊接 、检验 、腐蚀控制等技术的发展和操 作的现代化 ，对管道 穿越站 内道路采用套管 的要 求 已经大大降低 ，输油管道穿越 站 内道路加装套 管的安装 方式 已无 明显的必要性及合理性 ，同时 由于套 管的存在还会产生阴极保护屏蔽 、加重管 道腐蚀 、增加管材消耗 、运营管理困难等一系列 问题 ，因此在满足输油管道埋深 要求 的前提下取 消过路套管 ，不会对输油管道 的安全运营造成不 利影响 ，还可减少输油管道建设 中的物料消耗、 降低安全隐患、增强管道 的安全性 ，是经济合理 可行的⋯。为此，本文尝试运用材料力学、土力学 及道路工程的理论，对无套管输油管道穿越站 内 道路的埋深进行分析 ，以保证过路输油管道在车 辆荷载、堆土压力 、设计压力等操作运行条件 下 的安全 运行，减少输油管道土方开挖 工程量 ，降 低工程投资。 1 模型的建立 1 ． 1 荷载计算 荷载计算主要是确定管道上方的土壤重量及 车辆荷载对管道 的作用 ，其荷载组合包括管道 内 压、堆土荷载及路面车辆荷载等。 1 ． 1 ． 1管道内压 输油管道在 内压作用下所产生 的环向应力 O 为 l d 1 输油管道在 内压作用下所产生的轴 向应力 O 为 由环 向应力的泊松效应所产生 的轴 向应力 O。 为 O “ p t ． tT F h 3 输油管道 由于安装运行温差所产生的温度 应 力 o 为 o r , E c t 一 f 4 输油管道在 内压及温差作用下所产生 的轴 向 应力 0 为 一 踟 f ； t 3 0 “ 5 对受约束的管道应按最大剪应力破坏理论计 算当量应力且应满足下述条件 一 一 0 ． 9 。 _ 6 式 中 0 。 由内压和温度变化产生 的轴 向应 力 ，负值 为轴 向压 应 力 ，正值 为轴 向拉 应力 ， MP a ；E一 钢材的弹性模量，取2 ． 0 5 1 0 MP a ； Q ． 钢材的线膨胀系数 ，取1 ． 2 1 0 m／ m ℃ ；t ． 管道 安装 闭合 时的大气温度 ，℃t ． 管道 内被输送介 质 的温度 ，℃； 13 一 泊松系数 ，取0 ． 3 ； o ． 由内压 产生的环 向应力 ，MP a P． 管道的设计 内压力 ， MP a ；d ． 管道的内直径 ，m； 6 一 管道 的公称壁厚 ， m。 1 ． 1 ． 2堆土荷载[ 】 由马斯顿公式可知埋地输油管道所承受 的堆 土荷载、 - _ ⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯- 作者简介于倩秀 1 9 6 9 一，男， 江苏徐州人， 西南石油大学油 气储运工程专业毕业， 研究生学历，中级职称。在华东管道设计院从 事油气管道工程设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 2 2 一 ■ 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 4 年第 1 7 卷 w c d 。 g b 7 式中w ． 土壤荷载 ，N／ m；b 一 管道顶部管 沟 的宽度 ，即有效 宽度 ，m； P。 。 一 土壤密度 ，k g ／ m g． 重力加速度，取9 ． 8 m／ s ；C d 一 荷载系数，荷 载系数C 是管道上不 回填土的高度h 与管沟 的宽度 b 之 L h ／ b 、回填土 内摩擦系数及 回填土与两侧土 壤之间摩擦系数的函数，即 i 曼． 1 ～ e r ～～ _『 ⋯ 8 k 锄 4 5 - 9 z t a l l 0 式 中h一 回填土高度 ，m； 0 ． 土壤 内摩擦角 根据有关书籍介绍 ，k u 与土壤类型的关系如 下 1 无粘着力的颗粒土壤 k u 0 ． 1 9 2 4 ； 2 砂和 砾石 k u 0 ． 1 6 5 3 饱和层土 k u 0 ． 1 5 4 普通土 壤 k u 0 ． 1 3 5 饱和粘土 k u 0 ． 1 1 。 1 ． 1 ． 3车辆荷载[ 】 对 于 道 路 下 的 埋 地 管 道 ，车 轮 会 产 生 集 中荷 载 ，其 中包 括冲击 的影响 。 目前 广泛 使 用 Bo u s s i n e s q 点荷载公式计算该类荷载 ，在该式中， C 表示通过土壤传至下埋管道 的部分荷载 ，它主 要取决于所考虑 管道 的宽度 、长度 ，埋设深度及 荷载作用点的位置 。 1 丁 ，『 、 ，---- Z 一 尸 上 1 0 式中I 一 动载影响系数，刚性路面 I l ；弹性 路面 I 1 ． 5 ～ 2 ．0 ；C 一 荷载影响系数；P ． 车轮荷载 ， N；L一 管道计算长度 ，一般取L O ． 9 1 n l 。 荷载影响系数C 为管道计算宽度D及计算长度 L 及管道埋设深度h 的函数，其值如表 l 所示。 表1 荷载影响系数 c T ＼ 2 h 0 ． 1 O 0 0 ． 2 0 0 0 ． 3 0 0 0 ． 4 0 0 0 ． 5 0 0 0 ． 6 0 0 0 ． 7 0 0 0 ． 8 0 0 0 ． 9 0 0 1 ． 0 0 0 D ／ 2 h＼ 0 ． 1 0 0 O ． O 1 9 0 ． 0 3 7 0 ． 0 5 3 0 ． 0 6 7 0 ． 0 7 9 0 ． 0 8 9 0 ． 0 9 7 O ． 1 O 3 O ． 1 O 8 O ． 1 1 2 0 ． 0 3 7 0 ． 0 7 2 0 ． 1 0 3 0 ． 1 3 1 0 ． 1 5 5 0 ． 1 7 4 0 ． 1 8 9 0 ． 2 0 2 O ． 2 1 1 O ． 2 1 9 0 ． 0 5 3 0 ． 1 0 3 0 ． 1 4 9 0 ． 1 9 0 0 ． 2 2 4 0 ． 2 5 2 0 ． 2 7 4 0 ． 2 9 2 0 ． 3 0 6 0 ． 3 l 8 0 ． 4 0 0 0 ． 0 6 7 O ． 1 3l 0 ． 1 9 0 0 ． 2 4 l 0 ． 2 8 4 0 ． 3 2 0 0 ． 3 4 9 0 ． 3 7 3 0 ． 3 9 l 0 ． 4 0 5 0 ． 5 0 0 0 ． 0 7 9 O ． 1 5 5 0 ． 2 2 4 0 ． 2 8 4 0 ． 3 3 6 0 ． 3 7 9 0 ． 4 1 4 0 ． 4 4 1 0 ． 4 6 3 0 ． 4 8 1 0 ． 6 0 0 0 ． 0 8 9 O ． 1 7 4 0 ． 2 5 2 0 ． 3 2 0 0 ． 3 7 9 0 ． 4 2 8 0 ． 4 6 7 0 ． 4 9 9 0 ． 5 2 4 0 ． 5 4 4 0 ． 7 0 0 0 ． 0 9 7 0 ． 1 8 9 0 ． 2 7 4 0 ． 3 4 9 0 ． 4l 4 0 ． 4 6 7 0 ． 5 l 1 0 ． 5 4 6 0 ． 5 8 4 0 ． 5 9 7 0 ． 8 0 0 0 ． 1 0 3 0 ． 2 0 2 0 ． 2 9 2 0 ． 3 7 3 O ． 4 4 1 0 ． 4 9 9 0 ． 5 4 6 0 ． 5 8 4 0 ． 6l 5 0 ． 6 3 9 0 ． 9 0 0 O ． 1 0 8 0 ． 2 1 l 0 ． 3 0 6 0 ． 3 9 1 0 ． 4 6 3 0 ． 5 2 4 0 ． 5 7 4 0 ． 6 l 5 0 ． 6 4 7 0 ． 6 7 3 1 ． 0 0 0 0 ． 1 1 2 O ． 2 l 9 0 ． 3 1 8 0 ． 4 0 5 O ． 4 8 1 0 ． 5 4 4 0 ． 5 9 7 0 ． 6 3 9 0 ． 6 7 3 O ． 7 0 1 1 ． 2 0 0 O ． 1 l 7 0 ． 2 2 9 0 ． 3 3 3 0 ． 4 2 5 0 ． 5 0 5 0 ． 5 7 2 0 ． 6 2 8 0 ． 6 7 4 0 ． 7 l 1 0 ． 7 4 0 1 ． 5 0 0 O ． 1 2 1 0 ． 2 3 8 0 ． 3 4 5 0 ． 4 4 0 0 ． 5 2 5 0 ． 5 9 6 0 ． 6 5 0 0 ． 7 0 3 0 ． 7 4 2 0 ． 7 7 4 2 ． 0 0 0 0 ． 1 2 4 0 ． 2 4 4 0 ． 3 5 5 0 ． 4 5 4 0 ． 5 4 0 O ． 6 1 3 0 ． 6 7 4 0 ． 7 2 5 0 ． 7 6 6 0 ． 8 0 0 1 ． 2车辆、填土荷载弯 曲应力及应变 埋地过路输油管道在 内部压力及外部动静荷 载共 同作用下 ，将产生弯 曲应力 ，即使管道不发 生破裂 ，但仍有可能使管道发生大幅度 的弯 曲变 形，该弯曲变形同样会使管道失效。 管道在 外部荷载作用下的弯 曲应力可用下 式 表示 3 E 1 d 船 丽 1 1 式 中 0 一 薄壁钢 制管道的环 向弯 曲应力 ， MP a ；w。 一 管道上的外部荷载 堆土荷载及车辆荷 载等，N／ m；k b ． 弯曲参数 ，一般取0 ． 1 0 8 ；k 厂 挠 度参数，一般取0 ． 2 3 5 ；D． 管道外径，m。 钢管在弯曲应力作用下的水平挠度 Ax 为 0 0 6 I E 1 2 t E I 七 ． 。 ＼ “’ ／ l 2 1 3 A r ≤ O 0 3 D 1 4 式中k． 水平挠度系数，一般取0 ． 1 ；r． 钢管 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 期 于倩秀油气站场输油管道埋深计算模型的确立及应用 一 2 3一 的平均半径 ，m；E ’ 一 回填土变形模量，MP a 。 2实例分析 对油气 站场 站 内埋地过路输油管道在进行强 度、刚度 、稳定性校核计算时，环 向应 力包括 由 内压所产生 的环 向应力及车辆、填土荷载所产生 的弯曲应力 ，轴 向应力包括温度及 泊松 效应所产 生的轴 向应力。 某站 内热输 原油管道 穿越消 防道路 ，管道直 径D 0 ． 8 6 4 m，管道壁厚 6 0 ． 0 1 7 5 1 T I ，管线材质为 L 3 6 0 ，设计压力为8 ． 5 MP a ，站 内消防车轮载压力 按公路一 I 级考虑 ， P P 7 0 k N，管道采用挖沟埋地 敷设，管道顶部覆土1 ． 6 m，管沟宽度b 1 ． 3 m， 回填土为粘土 ，人工夯实，土壤密度 p 1 9 0 0 k g ／ m ，回填土变形模量为 1 ． 0 MP a ，安装运行最大温 差一 5 0 ℃，k h 0 ． 1 0 8 ，k r 0 ． 2 3 5 ，试确定该输油管道 的埋深是否合适。 由D／ 2 h 0 ． 2 7 及L ／ 2 h O ． 2 8 查表1 得C r O ． 1 2 3 ，由 B o u s s i n e s q 点荷载公式可得WL 1 4 ． 2 k N／ r n 。 由回填土为粘土可知 ，k 0 ． 1 1 并可计算 出荷 载 系数c 1 ． O 8 ，进而 由马斯顿公式可知Wd 3 4 ． 0 k N／ m， , U we 4 8 ． 2k N ／ m 由钢 管水平挠度 公式可得管道在车辆及填土 荷载作用 下的挠度为6 mm，则其变形不超过钢管 外径的3 ％，符合规范要求。 由管道弯曲应 力公式可得管道在车辆及填土 荷载作用下的弯 曲应力为3 6 ． 7 MP a ，由内压 引起 的 答读者问 环 向应力为2 0 1 ． 3 MP a ，则管道的最大及最小环 向 应力为2 3 8 ． 0 MP a 和 1 6 4 ． 7 MP a ，温度应力为1 2 3 ． 0 MP a ，泊松应力最大及最 小值 为7 1 ． 4 MP a t1 4 9 ． 4 MP a ，轴 向应力最大及最小值为一 7 3 ． 6 MP a 和一 5 1 ． 6 MP a ，当量应力最大及最小值为2 8 9 ． 6 MP a 和2 3 8 ． 3 MP a ，显然管道当量应力小于0 ． 9 O。 。 由 以上 计算可 以看出管道的变形 、强度及 稳 定性符合相关规范要求 。因此该管道埋深1 ． 6 m无 套管穿越消防道路是合适的。 3结 束语 油气 站场 站 内输 油 管道 在 合适 埋 深 的情 况 下，穿越站 内道路取消套管是可行的 ，因此在进 行油气站场施工 图设计时 ，不可一味盲 目地加设 套 管，应经过详细计算和论证来确定是否需要加 装套管 ，否则会造成不必要的浪费甚 至相反的效 果 ，使管道的腐蚀加速而危及油气管道的安全。 ◆参考文献 [ 1 ]邓道明． 穿越公路埋地管道的荷载计算[ J 】 ． 油气储运 ， 1 9 9 8 ， 4 ． 【 2 】蒲爱华． 水下穿越管道设计埋深的模糊决策[ J 】 ． 天然气工 业 ，1 9 9 7 ， 5 ． [ 3 】 莫泽． 地下管设计[ M】 ． 北京机械 工业 出版社，2 0 0 3 ． [ 4 ] 王鸿． 管道穿越低等级砂石公路埋深 的确定方法 [ J 】 _油气储 运 ，2 0 0 8 ， 3 1 ． 近 日有读者来 电询问我刊的历史沿革 问题 ，现答 复如 下 我刊创刊时刊名 化工设备与防腐蚀，国内统一刊号C N1 1 ． 3 9 1 6 ／ T Q，国际刊号I S S N1 0 0 9 6 7 3 6 ，2 0 0 4 年 经新 闻出版总署 、科技 部批准 更名为 石油和化工设备 ，国内刊 号为C N1 1 ． 5 2 5 3 ／ T Q，国际刊号为I S S N1 6 7 4 8 9 8 0 ，在北京出版。国家对期刊连续出版物实行一刊一号管理，更名为 石油和化工设备后，原刊名及刊号 不再使用。您在填写有关技术职称 申报材料时，可备注我刊原刊名及刊号。 石油和化工设备编辑部 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m