管道与储罐强度-1地下管道-帅健

第1章地下管道•

干线（长输）管道中98%是地下；

•管道地下敷设的好处

–施工简单、占地面积小，节省投资，容易受到保

护，不影响交通和农业耕作

•管道过沼泽、高地下水位和重盐碱土地区时，经技术经济比较后，可采用土堤敷设。

1-1 荷载和作用力•

荷载是管道及其附件强度设计的基本依据。

•实际中存在多种载荷，各具不同特征，造成的

材料破坏形式和机理也存在差异。

•荷载分类：

–永久荷载

–可变荷载

–偶然荷载

•设计时组合。

永久荷载（恒荷载）

•

输送介质的内压力；

•钢管及其附件、绝缘层、保温层、结构附件等的自

重；

•输送介质的重量；

•横向和竖向的土压力；

•静水压力和水浮力；

•温度应力以及静止流体由于受热膨胀而增加的力；

•由于连接构件相对位移而产生的作用力。

可变荷载（活荷载）

•试运行时的水重量；

•附在管道上的冰雪荷载；

•由于内部高落差或风、波浪、水流等外部因素产生

的冲击力；

•车辆荷载及行人；

•清管荷载；

•检修荷载。

偶然荷载

•位于地震基本烈度七度及七度以上地区的管道，由

地震引起的活动断层位移、沙土液化、地基滑坡施

加在管道上的力；

•由于振动和共振所引起的应力；

•冻土或膨胀土中的膨胀压力；

•沙漠中沙丘移动的影响；

•地基沉降附加在管道的荷载。

1-2 环向应力

•内压是影响管道强度的最主要荷载，因而环向应力

是管道上最重要的应力；

•内压产生环向应力和轴向应力；

•由环向应力（内压）确定壁厚。

p

p

D D

σσ

环向应力

h

pDσ

δ⋅

=2

δ

σ

2

pD

h

=

Barlow公式

轴向应力

精确解：

δ

δππσ442pD D D p A F a =

=≅=()

222

2

24

d D pd d D F a -=

-=

πσ近似解

a

σp

例1-1：管道外径273mm，壁厚9mm，内压10Mpa，分别按精确值和薄壁近似公式计算管道的轴向应力和管道横截面的截面系数，并比较两种计算方法的差别。

解：已知：

mm

D 273=mm

9=δmm d 255=MPa

p 10=轴向应力

精确值：

MPa d D pd a 4.68255273255102

22

2

2

2=-⨯=-=

σ近似值（薄壁）：

10273

75.3449

a pD MPa s d ´=

==´两者的相对误差为10.8％。

管道横截面系数

相对误差3.3

％。

3

54444107672.42732552733232mm D

d D Z ⨯=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫

⎝

⎛-=

ππ精确值：

3

5

2

2210

9240.49225527314.32mm d D r Z ⨯=⨯⎪⎭

⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛+==δπδπ近似值：

管道轴向应力和截面系数的近似值的保守性随比值D／t 增大而增大。

厚壁圆筒——高压容器

•厚壁圆筒中有径向应力

i

p e

p Lamei公式•弹性力学的经典公式

()()

()

2

22

22

2

2220i i e i

h i p r r r p r r r r r r s +--=

-(

)

()

(

)

2

2022

2202202i i e i i r r r r r r r p r r r p -----=

σ仅有内压

环向应力的最大值在内壁

⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛+-=2202

2

02

1r r r r r p i i i h σ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛---=2202

2

02

1r r r r r p i i i r σ()()

2

202

20max

i i i h r r r r p -+=

σ

例1-2：管道外径273mm，壁厚9mm，内压10Mpa，分别按薄壁和厚壁管道计算管道的环向应力，并比较两者的差别。

解：已知

mm D 273=mm 9

=δmm r o 5.136=mm r i 5.127=MPa

p 10=薄壁和厚壁管道公式计算如下：

两者的误差为3.3%。

10273

151.7229h pD

MPa t s ´=

==´薄壁：()(

)()MPa

r r r r p i i

i h 8

.1465.1275.1365

.1275

.136102

2

2

22

20

2

20max

=-+⨯=-+=σ厚壁：

一般而言，如果D ／t 比值小于20，则应按厚壁管考虑

1-3 许用应力与壁厚设计

1、许用应力

[]s

K φσ

σ=

式中[]s ——许用应力

K

——设计系数，按标准取值。f

——焊缝系数

s

s

——钢管的最低屈服强度(SMYS)

钢管的最低屈服强度和焊缝系数（一）

钢管标准名称钢号或钢级最低屈服强度（Mpa ）焊缝系数

备注

《输送流体用无缝钢管》Q295295（δ>16mm 为285）1

δ为钢管的公称壁厚

GB/T 8163-1999

Q345295（δ>16mm 为315）20245（δ>16mm 为235）

《石油天然气工业输送钢管交货条件第1部分：A 级钢管》GB/T 9711.1-1997

L175(A25)175(172)1

L210(A)210(207)L245(B)245(241)L290(X42)

290(289)L320(X46)320(317)L360(X52)360(358)L390(X56)390(386)L415(X60)415(413)L450(X65)450(448)L485(X70)485(482)L555(X80)

555(551)

钢管的最低屈服强度和焊缝系数（二）

NB 为无缝钢管和焊接钢管用钢，QB 为无缝钢管用钢，MB 为焊接钢管用钢；带*数值为0.5%应变的应力值。

钢管标准名称

钢号或钢级最低屈服强度(Mpa ）

焊缝系数备注

《石油天然气工

业输送钢管交货条件第2部分：B 级钢管》GB/T 9711.1-1999

L245NB 245~440*1

B 级管的质量和

试验要求高于A 级管

L245MB L290NB 290~440*

L290MB L360NB 360~510*

L360QB

L360MB L415NB 415~565

*

L415QB L415MB L450QB 450~570*L450MB L485QB 485~605*L485MB L555QB 555~675*L555MB

2、输油管道的壁厚设计公式

[]

σδ2pD =

式中d ——壁厚，mm 。p ——设计压力，MPa 。D

——管道直径，mm 。

[]s ——钢管的许用应力，MPa 。

3、输气管道壁厚设计公式

Ft

pD s ϕσδ2=

式中

d

——壁厚，mm 。

p

——设计压力，MPa 。D ——管道直径，mm 。s

s ——钢管的许用应力，MPa 。f

——焊缝系数。F

——设计系数。

t ——温度折减系数，当温度低于120︒C时，取t =1.0。