油氣管道的彈性敷設(shè)設(shè)計(jì)

商慶偉

摘 要：在論述油氣管道的彈性敷設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保管道自身強(qiáng)度和變形條件滿足實(shí)際功能穩(wěn)定性的需求，并在此基礎(chǔ)上提供彎曲受熱管道處理方式，以便整體油氣管道運(yùn)行環(huán)境安全。在此期間，針對(duì)油氣管道的彈性敷設(shè)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)明確計(jì)算依據(jù)的指向性，并將彈性撓曲線等因素融入到當(dāng)前設(shè)計(jì)環(huán)境內(nèi)部，這樣才能夠確保整體設(shè)計(jì)工作滿足質(zhì)量要求。本文根據(jù)油氣管道的彈性敷設(shè)設(shè)計(jì)的特性展開(kāi)分析，在明確最小彎曲半徑和管溝參數(shù)同時(shí)，期望能夠?yàn)楹罄m(xù)油氣管道設(shè)計(jì)提供參照。

關(guān)鍵詞：油氣管道；彈性敷設(shè)；施工設(shè)計(jì)；方法分析

1 油氣管道的彈性敷設(shè)設(shè)計(jì)概述

油氣輸送管道在平面走向改變處和豎面坡度、坡向改變處都會(huì)出現(xiàn)大量的轉(zhuǎn)角點(diǎn)。管線的轉(zhuǎn)彎可利用工廠預(yù)制的沖壓彎頭或熱彎彎頭、現(xiàn)場(chǎng)彎管機(jī)冷彎的冷彎彎頭和彈性彎曲的管道來(lái)實(shí)現(xiàn)；沖壓和熱彎彎頭的彎曲半徑范圍分別為（1.5-4）D和（3～16）D。由于彎頭的轉(zhuǎn)彎半徑小，在較高溫差壓力作用下，彎頭處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力；若埋深不夠，彎頭處管段的縱向穩(wěn)定性也不易保證，因此在地下受熱管線的彎頭兩側(cè)一定位置處常需設(shè)置固定墩。冷彎彎管的彎曲半徑為（18～80）D.國(guó)外常利用冷彎彎管來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸管線在一般地段的轉(zhuǎn)彎。我國(guó)雖從國(guó)外引進(jìn)了現(xiàn)場(chǎng)彎管機(jī)，但有此設(shè)備的施工單位不多。

管道彈性敷設(shè)具有許多優(yōu)點(diǎn)：管道的應(yīng)力分布均勻，不存在過(guò)高的峰值應(yīng)力；管道基本上處于嵌固狀態(tài)，不需設(shè)置固定墩；管線由直管道組焊取代彎頭組焊施工方便。但彈性敷設(shè)段管溝的形狀或標(biāo)高要嚴(yán)加控制，才能保證管線緊貼溝底。在河流穿越管線或直接教設(shè)于浸水地段或沼澤地的管線，廣泛采用彈性敷設(shè)實(shí)現(xiàn)管線轉(zhuǎn)彎；而對(duì)一般地段的轉(zhuǎn)角點(diǎn)，采用何種管道敷設(shè)方式，要綜合考慮多種因素，如曲管應(yīng)力大小。管線的縱向穩(wěn)定性、清管器的要求，場(chǎng)地條件等等經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較后確定。

2 油氣管道敷設(shè)的最小彎曲半徑分析

最小彎曲半徑根據(jù)管道的強(qiáng)度和變形條件確定，對(duì)上凸彈性彎曲管道，還要考慮縱向穩(wěn)定性條件。本文不討論彈性彎曲管道的縱向穩(wěn)定性問(wèn)題，其驗(yàn)算方法參見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)或規(guī)范。若彎曲半徑不滿足穩(wěn)定性條件，還可通過(guò)調(diào)整管道埋深、加壓重物等方法來(lái)達(dá)到穩(wěn)定性要求。

2.1 強(qiáng)度要求分析

在落實(shí)油氣管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，我國(guó)已經(jīng)具備相對(duì)完善的規(guī)范體系。其中內(nèi)容多以第三強(qiáng)度理論作為核心展開(kāi)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，若根據(jù)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，認(rèn)為彈性彎曲管道能夠被土壤環(huán)境所嵌固，如此在計(jì)算油氣管道最低操作溫度時(shí)，便可知最小彎曲半徑與管材性能、屈服極限、管道外徑、環(huán)向應(yīng)力、溫度差值等因素有關(guān)聯(lián)性。并且，根據(jù)前蘇聯(lián)第四強(qiáng)度理論驗(yàn)算方法可知，管道的縱向應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)管道強(qiáng)度進(jìn)行細(xì)致調(diào)整，這樣才能夠確保整體最小彎曲半徑滿足實(shí)際工程需求，并能夠根據(jù)我國(guó)當(dāng)前油氣管道的敷設(shè)規(guī)模提供理論基礎(chǔ)。由此根據(jù)理論內(nèi)泊松應(yīng)力和溫度應(yīng)力之和的影響狀況，都可以根據(jù)管道最小彈性彎曲半徑進(jìn)行分析，以便整體管道體系構(gòu)建穩(wěn)定。

2.2 變形要求分析

按變形條件確定管道的最小彈性彎曲半徑要考慮彈性敷設(shè)管道的力學(xué)模型和管道撓曲線的形式。我國(guó)和前蘇聯(lián)采用的彈性敷設(shè)的力學(xué)模型是一致的，但撓曲線形式不一樣。我國(guó)一直沿用圓弧曲線。前蘇聯(lián)采用肋學(xué)模型所對(duì)應(yīng)的撓曲線。圓弧曲線法中圓弧線與直線切點(diǎn)處的二階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，相應(yīng)地在切點(diǎn)處彎矩不連續(xù)，這與實(shí)際不符。前蘇聯(lián)雖曾使用過(guò)圓弧曲線來(lái)近似實(shí)際的撓曲線，但其現(xiàn)行規(guī)范推薦的有關(guān)公式來(lái)源于四次曲線。

（1）力學(xué)與角度。在論述二者之間關(guān)系期間，首先需要針對(duì)管道敷設(shè)環(huán)境的力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析，明確簡(jiǎn)支梁和管道彈性之間的關(guān)系同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)針對(duì)管道彎曲環(huán)境提供懸臂梁嵌固點(diǎn)，這樣才能夠確保地下埋設(shè)環(huán)境在小范圍內(nèi)穩(wěn)定，并能夠有效轉(zhuǎn)化外來(lái)荷載對(duì)管道結(jié)構(gòu)的影響。其中，在簡(jiǎn)支梁角度和材料方面應(yīng)當(dāng)進(jìn)行細(xì)致選擇，并針對(duì)坡腳變量進(jìn)行深入論述，這樣才能夠確保整體力學(xué)環(huán)境穩(wěn)定，并避免對(duì)管道造成額外的荷載壓力。（2）圓弧曲線法。圓弧曲線法是根據(jù)管道彈性參數(shù)中的真實(shí)撓曲線理念提供的計(jì)算方法。在展開(kāi)計(jì)算過(guò)程中，既需要針對(duì)管道下凹半徑進(jìn)行細(xì)致分析，同時(shí)還需要根據(jù)管道自身彈性極限進(jìn)行統(tǒng)籌，這樣才能夠確保整體最小彎曲半徑能夠被限定，并可以作為參照為管道體系的構(gòu)建提供保障。期間，在論述圓弧曲線法的過(guò)程中，必須明確管道抗彎剛度與管長(zhǎng)重量之間的關(guān)系，并根據(jù)水平夾角與彈性變量之間的公式展開(kāi)論述。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)可知，水平夾角在小于30度時(shí)，可以忽略?shī)A角對(duì)最小彎曲半徑的影響。（3）四次曲線法。四次曲線法是根據(jù)力學(xué)框架梁的撓曲線作為依據(jù)，通過(guò)參數(shù)審核確保結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定的方法。在展開(kāi)計(jì)算過(guò)程中，既需要針對(duì)附加撓曲線展開(kāi)假設(shè)分析，同時(shí)還需要針對(duì)管道下凹的最小半徑進(jìn)行核查，這樣才能夠確定簡(jiǎn)支梁和懸挑梁等結(jié)構(gòu)體系的變量要求，并能夠?yàn)楹罄m(xù)油氣管道敷設(shè)環(huán)境提供保障。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)可知，在管道規(guī)格與縱向角度相符環(huán)境中，四次曲線法的管道下凹半徑小于圓弧曲線法，故而在土方量的計(jì)算方面也會(huì)相對(duì)偏低。若從使用安全性角度來(lái)看，此種理論具備核算優(yōu)勢(shì)，并且在多元化的管道敷設(shè)環(huán)境中，均能夠提供完善的抗彎強(qiáng)度條件，以確保整體油氣管道敷設(shè)環(huán)境滿足可持續(xù)化利用的條件。

3 油氣管道敷設(shè)管溝設(shè)計(jì)分析

根據(jù)強(qiáng)度、變形條件可分別計(jì)算出彈性敷設(shè)管道的最小彎曲半徑，取兩者中的較大值作為管溝設(shè)計(jì)的最小曲率半徑，就能保證管道滿足強(qiáng)度和變形條件，實(shí)際工程中所采用的管溝線曲率半徑應(yīng)大于其最小曲率半徑。管溝線曲率半徑確定后，可以算出轉(zhuǎn)角點(diǎn)到切點(diǎn)的距離，從而曲線的切點(diǎn)的位置坐標(biāo)也就確定了。

3.1 圓弧曲線法分析

在圓弧曲線法落實(shí)過(guò)程中，首先應(yīng)當(dāng)針對(duì)管溝彎曲距離展開(kāi)細(xì)致分析，確保管道彎曲波長(zhǎng)能夠被有效核實(shí)，以此確保整體坡度、水平夾角和管道彈性變量條件能夠被深入分析，這樣才能夠確保整體坡度計(jì)算能夠準(zhǔn)確。期間，應(yīng)當(dāng)積極落實(shí)管溝線內(nèi)的基準(zhǔn)點(diǎn)，以便整體管溝設(shè)計(jì)工作能夠被有效識(shí)別。

3.2 四次曲線法分析

在落實(shí)四次曲線法過(guò)程中，首先應(yīng)當(dāng)針對(duì)易出現(xiàn)凹管狀況的管溝線進(jìn)行細(xì)致分析，確保弦長(zhǎng)、線長(zhǎng)、外矢距等條件能夠被有效識(shí)別，這樣才能夠通過(guò)計(jì)算公式針對(duì)切點(diǎn)連線和水平線夾角展開(kāi)計(jì)算。期間，四次曲線法能夠有效識(shí)別管線埋深的安全性，同時(shí)更能夠降低土方的開(kāi)挖量，相比較圓弧曲線分析法而言，具備絕對(duì)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

油氣管道的彈性敷設(shè)設(shè)計(jì)工作的有效落實(shí)，不但能夠根據(jù)管道自身的材質(zhì)特性，鞏固整體運(yùn)行環(huán)境的密封性和質(zhì)量性水平，從而確保油氣管道資源在運(yùn)輸方面具備完整性的前提，同時(shí)更能夠根據(jù)對(duì)應(yīng)管槽澆筑的狀況，為整體管線敷設(shè)提供結(jié)合保障，即避免了結(jié)構(gòu)變量對(duì)管道造成額外荷載影響，而且也鞏固了地下功能體系的穩(wěn)定性。故而，在論述油氣管道的彈性敷設(shè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須明確荷載對(duì)管道的影響和干擾因素，這樣才能夠確保管道體系完整。

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