埋地管道

CAESAR II

CAESAR II 埋地管道应力分析

何耀良

北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司

2010

由于埋地管道在石油天然气长距离输送城镇热电联产z由于埋地管道在石油、天然气长距离输送、城镇热电联产——区域供热领域应用广泛，出于安全性考虑，对埋地管道系

统的分析设计尤为重要。

概述

z埋地管线实际上是管道和各种附属元件整体组合

安装形成的复杂系统。

概述

z设计人员对当地环境土壤特性和地质情况的了解程度、所使用的分析假设，实际上决定了计算结果是否接近真实情况。

地质情解有恰当考虑热外载荷

z对地质情况不了解，没有恰当考虑热胀、外载荷、土壤特性可能导致严重的安全问题

各种失效

概述

特殊之处

z埋地管线与架空管线存在较大差异：

架空管线使用支吊架支撑导致失效的原因主要为垮塌（ 架空管线使用支吊架支撑，导致失效的原因主要为垮塌（

一次应力）及疲劳失效（柔性）；

埋地管线则承受连续土壤摩擦约束作用，特别是长直管道存在自然锚固现象，其主要失效形式则是热态应力引发的轴向失稳及疲劳破坏（柔性）

对热态应力而言

z热态应力是衡量管道轴向抗失稳能力的依据，当热态应力超标时，可能产生两类失效：

热

拱

轴向失稳

如何分析？

z为避免事故的发生，我们需要对导致埋地管道失效的各种因素进行分析。主要分为：

z1.土壤约束（土壤特性，转为土壤约束模型）

z2.管道柔性（管道分区，完全约束和活动段）

z3.计算方法（标准规范）

土壤约束

z主要体现在土壤摩擦力上；z土壤的摩擦力是固有特性，与土壤以及管道表面粗糙度有关；

z通常人们将连续约束简化为点约束；

土壤约束

但是这个点约束并非线性的

土壤约束

z实际的土壤约束曲线为一段圆弧，这增大了模拟计算的难度，人们通常引入简化算法：

土壤约束

z使用简化模型——土壤约束线性化（部分线性化）

土壤刚度

z约束简化为线性的静摩擦力及滑动摩擦力；

临界点为极限载荷土壤的弹性和塑性转化点

z临界点为极限载荷（土壤的弹性和塑性转化点）；

z极限载荷出现时所对应的土壤变形量称为屈服位移；z可以通过多种方法来确定极限载荷及其屈服位移，常见的是将按照轴向摩擦力、横向进行区分。

1. CAESAR Basic Soil Model

1CAESAR Basic Soil Model

z基于Peng's Theory

z该方法相对比较简单.

这种土壤模型同样认为

埋地管道周围的土壤发

管道围的壤发

生弹性——塑性变形过

程。而转换的临界点为

程而转换的临界点为

最大土壤约束.

约束分为分为轴向横

z约束分为分为轴向、横

向,认为竖向和横向一

致。

双线性土壤约束

土壤屈服位移与土壤刚度

z当土壤处于弹性变形阶段时，通过土壤屈服位移及上面得到的极限载荷来求出土壤刚度。

z土壤屈服位移Yd=屈服位移系数×（H+D），其中屈服位移系数为用户定义的常数（H = 3D,建议默认值服位移系数为用户定义的常数

为0.015）

z于是所划分的单位长度管段所承受的轴向土壤约束刚度为：Kax=Fax/Yd

横向极限载荷的计算

[t (OCM D H F s tr ∗++=22)]2/45[tan()(5.0φρz Φ 为土壤的内摩擦角，参考值如下：

9沙土——27-45°

2635°

9泥沙——26-359粘土——0°（如果给定Su ，那么tan 值替代为Su/250psf S /50p ）

z OCM 为回填夯实系数（衡量土壤密实度),根据土壤颗粒大小及回填压实度，范围由1-8变化

z 回填夯实度决定了管道挤压土壤所需要的力的大小z 同理，当得出力及位移后，横向刚度为：Ktr=Ftr/Yd 同理当得出力及位移后横向刚度为

Basic Soil Model 土壤约束
z z
轴向土壤刚度单独考虑，主要是摩擦效果。 横向刚度和垂直刚度一致，主要是考虑埋深，夯实 效果，土壤摩擦角影响。
2010/11/6
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土壤模型与密实度的关系
z
人们将各种不同的土壤（S0）进行归类，具有相似特性的土 壤指派到同一系列中（SC1——SC5），系列编号按照刚度 从大到小排列，这意味着SC1类土壤具有比SC2——SC5更 大的刚度。通常SC5类土壤极不稳定且不适合于回填及做基 础层铺垫 具体见下表 础层铺垫。具体见下表：
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土壤模型与密实度的关系
刚度类型 SC1 SC2 SC3 SC4 SC5 对应管段回填土壤材质 主要以直径1厘米以上碎石为主，沙土量少于 15%，颗粒土最大5% 粗粒状土壤为主，细沙粒少于12% 粗粒状土壤，细沙粒含量大于12% 细粒状土壤为主 含量大于12% 细粒状土壤为主，含量大于 含水分的细粒状土壤，非可塑性颗粒含量小于 30% 密实度 不需要进行夯 实处理 75-85%夯实 85-95%夯实 85 95%夯实 85-95% >95%夯实
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土壤模型与密实度的关系 不同的夯实度，在土壤模型中以回填压实系数OCM 表征
„1-1.5 „2-4 „5 „>5 无压实或完全松软回填 75-95%夯实度 大于95%夯实度 土壤异常坚硬（SC1类，见上表）
z
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