直埋管道固定墩设置探究

直埋管道固定墩设置探究

1 概述

当管道因温度变化发生热胀冷缩是，若管线受到约束，管线内便产生热应力。为保护管道与管接头、管道弯头、及其他一些附件正常安全工作，就必须在管道上设置固定墩以限制管段的位移在允许的范围之内。管道固定墩计算结果通常非常惊人，管线固定墩的推力动辄几十吨，固定墩的尺寸也到了数米的程度。如此巨大的固定墩消耗了相当多的混凝土，并且增加了巨大的施工难度。如何的计算固定墩的实际所需推力，并减少固定墩的尺寸及安装空间，无疑是一个需要探讨的课题。

2 工程实例

在直罗~富县原油插输工程中，输油管道规格为Φ163×5.6（6.3）PSL2 B级钢管，40mm厚泡沫黄夹克保温，总长度92.88km，沿线多为山地、河谷等。管道共设有80余个固定墩，分别设于管道出土段、穿跨越等处。管道运行温度为60℃，安装温度为20℃，温差为40℃。固定墩设计推力为5t，单个固定墩尺寸为1.4m×1.5m×1.2m，消耗混凝土约2.5m3。

通常，固定墩的计算公式为：

N=FEαΔT

式中F——管壁截面积（m2）；

E——管材弹性模量（Pa），一般取2.06×1011Pa；

α——管材线膨胀系数（cm/cm·℃），钢管为1.2×10-5/℃；

ΔT——安装温度和运行温度差（℃）。

此计算结果仅考虑限制管线变形产生的应力，论计算推力很大。一般对固定支墩的推力为公式计算值乘一个折减系数。折减系数取1/2～1/3。

直罗~富县原油插输工程中，管道最高运行温度为60℃，安装温度为20℃，计算推力为30t。

实际需要的推力可能要远小于计算推力，是因为：

（1）固定支墩不能绝对固定，稍有位移将使推力减小。

（2）埋地弯头或管道的出土段的弯头处都有土壤反力的作用，它与推力方向相反，因此使推力减小。土壤对弯头的推力与弯头位移、土壤性质和夯实程度等有关，难以精确计算。

3 管道的伸长量

管道埋于土壤中，伸长或者收缩受到土壤摩擦力的作用。摩擦的阻力的大小与管线的长度成正比，当管线达到一定长度是，摩擦阻力将平衡温度应力引起的轴向力，管

线不能伸缩。土壤中管线不能伸缩的最小长度ls（m）为[1]

ls=αEΔTπDaδ/f[2(Pv+Ps)D+q]

式中Da——管线的平均直径，m；

δ——管线壁厚，m；

f——管线与土壤的摩擦系数，一般f=0.3~0.6；

q——单位长管线（包括管内介质）的重量，N/m；

Pv——管线顶部埋土压力，N/m；

Ps——管线两侧所受的被动土压力，N/m。

式中q的取值一般占分母的3%~10%，实际计算可将q忽略。通过简化可能到：

ls=αEΔTδ/0.847ρt ghf

式中ρt——土壤的密度，kg/m3；

h——管线埋深，m。

管线出土端的长度超过ls以上的部分不能伸缩，而在ls范围内管线向出土段一端伸长（或收缩）量将因为土壤摩擦力的影响而减少一半，及出土端伸长量为：

Δls=0.5αΔT ls

直罗~富县原油插输工程中，管道管顶埋深为 1.2m，计算管道在土壤中不能伸缩的最小长度ls=51.47m；出土端伸长量为0.012m。

0.012m的变形量会产生多大影响呢？

在埋地管道中的弯头相当一个自由端或半自由端，与弯头两端相连的部分为过渡段。当弯头曲率半径由于位置的限制而取得较小时(如进出站或穿跨越处) ，其吸收变形的能力很小，两个过渡段的变形将集中在弯头上，这样可能使弯头的断面变扁、屈曲而破坏。

弯头允许有一定的变形。弯头允许变形的限度以不产生永久变形和不产生屈曲为原则，求出弯头两端允许的位移量。其位移的具体数值与弯头的几何尺寸(直径、壁厚) 有关，与弯头的角度、方向等有关，应对此进行理论分析和实际的测定。

考虑到一定的安全度以后，弯头两端允许多少位移就给予多少位移，亦即允许固定墩有多少位移。固定墩有位移以后，两端由嵌固变成了某些放松，这样固定墩所需承受的推力大为降低。如果弯头可以吸收全部由过渡段传来的位移量，则弯头不必加以保护。因此可以通过增加弯头或弯管的曲率半径来增加过渡段变形量吸收能力，减小固定墩推力或者不设固定墩。

4 考虑位移的固定墩计算

固定墩的计算是一般是按照锚固死计算的，但是实际中土壤再夯实也不会是刚性体。大直径管道如果按照锚固死计算产生的推力高达几十吨甚至几百吨，固定墩尺寸不可避免的要很大。但是当管线自由端稍微产生位移之后，推力迅速减小。固定墩微量变