CN103968158A - 城市天然气管道壁厚选择的设计方法 - Google Patents

Abstract

城市天然气管道壁厚选择的设计方法。应用技术领域：用于城镇燃气埋地输送管道设计。也可作为其他埋地管道设计参考。主要解决的问题：解决目前在城市燃气钢制输气管道设计上尚未形成完整的设计理论和计算校核体系问题。过去常采用壁厚强度计算值再加负偏差值加腐蚀裕量预留的方式确定钢管壁厚，理论依据不足，未考虑地层承载力和钢管强度、刚度校核。解决该问题技术方案要点：本人结合材料、地层、结构力学对城镇埋地燃气管道设计进行了系统论证，较完整地提出城市敷设燃气输气管道具体的设计理论、方法和步骤，并提出具体的计算校核体系模型。主要用途：为城镇燃气输送管道设计提供理论及方法支持。该方法使用符合科学发展，节能降耗、节约资源的要求，效益潜力大前景广阔。

Description

城市天然气管道壁厚选择的设计方法

1、技术领域

该发明属于城镇燃气输气管道设计理论创新，可用于城镇地上或地下不同压力燃气管道设计的技术支持。也可作为其他埋地管道的设计参考。

本人在参照GB/T50028《城镇燃气设计规范》及GB/T50251《输气管道工程设计规范》的约束条件及其他相关资料，结合材料、结构力学、地层应力学对城镇埋地敷设燃气管道的结构设计进行了系统的论证，提出了具体的设计理论、方法和步骤，首次为安全、经济的进行城镇输气管道的结构设计提出了具体的理论模型。

2、背景技术

随着城镇管道燃气建设的迅速发展，怎样建立埋地输气燃气管道设计模型，如何构建城镇燃气管道设计理论支撑，成为燃气管道设计的迫切需求。

本人参照GB/T50028《城镇燃气设计规范》及GB/T50251《输气管道工程设计规范》的约束条件及其他相关资料，结合材料、结构力学、地层应力学系统论证了敷设燃气管道而进行的结构设计、步骤和方法。首次为安全、经济的进行输气管道的结构设计提出了具体的理论模型。

该论文(发表于《煤气与热力》30卷2期，2010)，题目为城市天然气管道壁厚的选择。论文2012年被中国土木工程学会燃气分会2010-2011度优秀论文三等奖。

3、发明内容

钢管设计壁厚强度校核论证

3.1钢管设计壁厚

根据50028-2006《城镇燃气设计规范》对压力不大于1.6MPa的室外钢质燃气管道直管段计算壁厚 按式(1)计算确定。^[1]

式(1)

δ-钢管计算壁厚(mm)

p-设计压力(MPa)

D-钢管外径(mm)

σ_S-钢材屈服极限(MPa)

-焊缝系数1.0

F-强度设计系数0.3(市区取四类地区)

3.2钢管内力作用下的强度校核

50028-2006《城镇燃气设计规范》第6.4.章明确，下列计算或要求应符合现行国家标准GB50251-2003《输气管道工程设计规范》的相应规定：

1、受约束的埋地直管段轴向应力计算和轴向应力与环向应力组合的当量应力校核；

2、受内力和温差共同作用下弯头的组合应力计算；

3、管道附件与没有轴向约束的直管段连接时的热涨强度校核；

4、弯头和弯管的管壁厚度计算；

5、燃气管道径向稳定校核。

以下对规定中的主要约束条件进行校核：

3.2.1直管段轴向应力与环向应力组合的当量应力校核^[2]

σ_l＝μσ_n+Eα(t₁-t₂) 式(2)

(管道的轴向应力计算结果正值为拉应力，负值为压应力)

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{\mathrm{pd}}{{2\mathrm{\δ}}_n}$ 式(3)

σ_l-管道的轴向应力(MPa)

μ-泊松比，取0.3

σ_n-由内压产生的管道环向应力(MPa)

E-钢材的弹性模量(MPa)

α-钢材的线膨胀系数(℃^-1)

t₁-管道回填时的环境温度(℃)

t₂-管道实际运行温度(℃)

d-钢管内径(mm)

δ_n-管子的公称壁厚(mm)

当量应力按最大剪应力理论校核，应满足式(4)要求。

σ_e＝σ_n-σ_l＜0.9σ_s 式(4)

σ_e-当量应力

3.2.2受内力和温差共同作用下弯头的组合应力计算^[2]

当弯头所受的环向应力σn小于许用应力[σ]时，组合应力σe应按下列公式计算。 式(5)

σ_e＝σ_n+σ_nmax＜σ_b 式(6)

σ_nmax＝β₀σ_R 式(7)

${\mathrm{\β}}_0=1.8[1-{\left(\frac{r}{R}\right)}^2]{\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)}^{\frac{2}{3}}$ 式(8)

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{R\δ}}_n}{r^2}$ 式(9)

${\mathrm{\σ}}_R=\frac{M_R\·r}{I_b}$ 式(10)

σ₀-材料的许用应力(MPa)^[3]

τ-温度折减系数，温度小于120°时，τ取1.0

σ_e-由内压和温度作用下的弯头组合应力(MPa)

σ_nmax-由热胀弯矩产生的最大环应力(MPa)

σ_b-材料的强度极限(MPa)

β₀-环向应力增强系数

r-弯头截面平均半径(m)

R-弯头曲率半径(m)

λ-弯头参数

σ_R-热胀弯矩产生的环向应力(MPa)

M_R-弯头的热胀弯矩(MN·m)

I_b-弯头截面的惯性矩(m⁴)

计算满足式(5)即符合选择要求。

以上仅仅是对输气管道的直管段、弯头在内力作用下的强度校核，要选择管道“壁厚”必须结合埋地管道在土载荷、车辆载荷共同作用下的受力状况进行校核。

3.2.3燃气管道径向稳定校核^[2]

$\mathrm{\ΔX}=\frac{{\mathrm{ZKWD}}_m^3}{8\mathrm{EI}+0.061E_S{D}^3}$ 式(11)

W＝w₁+w₂式(12)

$I=\frac{{\mathrm{\δ}}_n^3}{12}$ 式(13)

ΔX≤0.03D式(14)

ΔX-指管道X轴方向最大变形量(m)

D-钢管直径(m)

Z-钢管变形滞后系数1.5

K-基床系数

E_S-土壤变形模量(N/m²)

E-碳素钢的弹性摸量(N/m²)

W-作用在单位管长上总竖向载荷

w₁-单位管长竖向土载荷(N/m)

w₂-地面可变载荷传递到管道上的载荷(N/m)

I-单位截面惯性矩(m³)

δ_n-钢管推荐壁厚(m)

3.2.4几个关键数据的确定

a.管侧土壤变形模量E_S值的大小对埋地钢管稳定性有直接影响，如果回填土压实系数大，它对钢管两侧的支撑力就强，钢管的径向稳定性就好。管道敷设条件若是天然气长输管线则参照GB50251-2003《输气 管道工程设计规范》条文说明中“敷管条件的设计参数表”E_S值选取；若是城市燃气管道则可参照《城镇燃气聚乙烯(PE)输配系统》“环向稳定性及竖向变形的计算”中求管侧土变形模量表的相关数据确定。 ^[4]

b.W指作用在单位管长上总竖向载荷(它实际是竖向载荷效应组合标准值)。W由三个部分组成即土壤压力、地面堆积载荷(堆积载荷可取10000N/m²计算)车辆载荷。在车行道上或车辆可能到达处要计算车辆荷载，在车辆不可能到达处计入堆积荷载。

w₁＝CHDγ 式(15)

w₁--单位管长竖向土载荷(N/m)

C--开槽施工土压力系数一般可取1.2计算

H--管顶至设计地面的覆土高度(m)

γ--同填土的重力密度一般可取18000N/m³

w₂＝ψq₀D 式(16)

w₂-地面可变载荷传递到管顶上的载荷(N/m)

Ψ--可变载荷准永久系数。可取0.5

q₀--轮压传递到管顶处的竖向压力(N/m²)

单个轮压作用计算：

$q_0=\frac{\mathrm{\μG}}{(a+1.4H)(b+1.4H)}$ 式(17)

多个轮压作用计算：

$q_0=\frac{\mathrm{\μnG}}{(a+1.4H)(\mathrm{nb}+\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k+1.4H)}$ 式(18)

表5 动力系数

地面距管顶(m)	0.25	0.40	0.50	0.60	≥0.70
						动力系数(μ)	1.3	1.20	1.15	1.05	1.00

G--车辆车轮承担的轮压(N)

a--单个车轮的着地分布长度(m)

b--单个车轮的着地分布宽度(m)

d_k--沿车轮着地分布宽度方向，相临两车轮的净距(m)

H--车行地面至管顶的深度(m)

μ--动力系数

n--车轮的总数量

4、刚度校核

管道运行中会遇到地下管道交叉开挖后出现管道基槽土层挠动或地下水位高造成局部基槽土密实系数降低等情况时，车碾压后出现下陷。如考虑管道运行的安全性，就应对钢管载荷的限制条件进行刚度校核。(建立力学模型，画出弯矩图分别计算。)

图2表示A、B两端受力状态为超静定结构所示，可知轮两边弯矩最大。

$M_{\max }=M_a=M_B=\frac{{\mathrm{ql}}^2}{12}$ 式(19)

M_max--均布载荷下的最大弯矩(N.m)

q--单位长度上的载荷(N/m)

l--受力边界A端到B端的长度(m)

由图2知管道中间挠度i最大；A、B端弯矩最大。

$i=\frac{{\mathrm{ql}}^4}{384\mathrm{EI}}$ 式(20)

i--管道纵向弯曲的挠度(m)

校核钢管变形对强度的影响应用第四强度理论

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\sqrt{\frac{1}{2}[{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}-{\mathrm{\σ}}_l)}^2+{({\mathrm{\σ}}_l-{\mathrm{\σ}}_n)}^2]}$ 式(21)

σ_max--最大合成应力MPa

σ_θ--周向应力(σ_θ＝0)

$\frac{M_{\max }}{W_0}\≤{\mathrm{\σ}}_0-{\mathrm{\σ}}_{\max }$ 式(22)

W₀--抗弯截面模量

$\frac{i}{l}\≤\frac{1}{400}$ 式(23)^[6]

4、附图说明 钢管选择的推荐壁厚

图1简化力学模型，以A、B点建立坐标，f-土载荷沿管道长度方向的摩擦力，模型为二向力，轴向力为零。

图2受力形式，表示A、B两端受力状态为超静定结构。

道路车辆动载校核

压路机动载校核

设计校核

5、具体实施方式

该方法已被推荐各市政燃气设计应用，成效极为显著。符合科学发展，节能降耗、节约资源的要求。2012年乌鲁木齐“煤改气”工程的高、次高、中压130公里燃气管道设计应用此设计模型，仅此一项节约钢管材料约750吨、节省投资约450万元。若在国内城市燃气设计中应用效益潜力巨大，前景广阔。此设计方法也可作为其他埋地管线设计参考。

Claims (5)

1.观点一：“钢管壁厚”计算是燃气管道设计强度校核的一个方面，同时还应进行外力作用下动载、静载的综合校核。见“说明书”。

2.观点二：燃气管道设计还应进行刚度校核，计算城镇道路车载荷及施工碾压条件下管道挠度的影响。见“说明书”。

3.观点三：稳定性计算是“钢管壁厚”取值的重要参数，其中动载、静载作用力应结合城市路况结构综合分析，重视地层密实度、地层应力对管道强度的影响。见“说明书”。

4.观点四：燃气“钢管壁厚”腐蚀主要是外腐蚀的影响，关注点在管道外壁的防腐保护。

5.观点五：在确定设计壁厚时，应明确负偏差的取值范围、对壁厚的小数值圆整为整数并符合稳定性计算的要求。