管道跨越结构分类和选型.doc

管道跨越结构的分类及选型 戴家齐 　　摘　要　管道跨越结构按其受力情况可分为两大类：一类是管道在跨越结构中为受力构件，称之为跨越管段；一类是管道不作为跨越中的受力构件，只是敷设于桥面，称之为管桥。通过对俄、美两国管道规范的研究分析，指出在设计和施工中应尽量避免管道承受外力引起的纵向应力。对悬索跨越管段和斜拉索跨越管段的受力情况进行了分析比较，并指出其适用范围。同时还指出，对大口径高压输油管道宜采用管桥的形式跨越河流。　　主题词　油气管道　　管道跨越　　结构　　应力分析 一、管道规范对纵向应力的限制〔1〕 　　虽然管道跨越河流的结构形式有许多种，但是从管道强度角度来考虑，可分为两类：第一类是在跨越结构中把管道作为跨越结构的受力构件；第二类是管道不作为跨越结构的受力构件。“П”形跨越、悬缆式跨越、拱管跨越、以管道为弦杆（桥面）的悬索跨越和以管道为弦杆（桥面）的斜拉索跨越皆属于第一类跨越结构。随桥跨越、提篮半穿式管桥、管子敷设在桥面上的桁架式管桥、悬索管桥和斜拉式管桥跨越则属于第二类。第二类跨越结构的设计思想是尽可能使压力管道不承受除压力载荷以外的外力载荷，尤其是不承受额外的轴向拉力载荷，以使压力管道具备更多的强度储备。　　不少管道工作者把以管道为桥面的悬索或斜拉索跨越管段和管道敷设在桥面上的悬索管桥或斜拉索管桥都统称为悬索管桥或斜拉索管桥，这样的统称是不科学的。无论是在前苏联文献还是英美文献中均与此相反，可以把两者统称为“架空跨越”，但如提到“管桥”一词，一定是把管子敷设在桥面上的悬索管桥或斜拉索管桥或是桁架式管桥。以管道为桥面的称为悬索跨越管段或斜拉索跨越管段；管道敷设在桥面上的才称为悬索管桥或斜拉索管桥。　　在内压作用下，压力管道纵向拉应力约为环向拉应力的1／2，所以压力管道纵向尚有强度余量。前苏联规范（СНиП-2．05．06-85）和美国规范（ASME-B31.4及ASME-B31.8）〔1〕都规定除内压应力外允许管道承受一些纵向拉应力或纵向弯曲应力，但纵向许用应力均应加以严格限制。前苏联规范要求纵向内压应力、弯曲应力和其它纵向拉应力之和不应大于按式（1）、式（2）计算的许用应力之中的较小值： 　　（1） 　　（2） 式中　R1H——材料公称抗拉强度；　　　R2H——材料公称屈服强度；　　　　φ——两向应力影响系数，对于纵向拉应力，φ＝1；　　　　m——工作条件系数，对跨越河流管段，取m＝0.6；　　K1，K2——材料可靠性系数，视材料性质不同而在下列范围内取用：K1为1.34～1.55；K2为1.10～1.20；　　　　KH——用途可靠性系数，　对于大口径高压　　　　　　　输气管道，KH为1.05～1.15；对于大口径输油管道，KH为1.00～1.05。　　将φ、m、K1、K2、KH代入式（1）、式（2），可得到许用纵向应力范围：R1为0.44R1H～0.33R1H；R2为0.545R2H～0.43R2H。前苏联规范要求跨越管段应设计成自由伸缩的管段，又φ　＝1.0，所以R1及R2也是跨越管段许用内压环向应力。因为纵向内压应力（σ2）为环向内压应力（σ1）的二分之一，又设σ1＝R1或R2，则。在不增加壁厚条件下，允许承受的外加的纵向应力为：R1－0.5R1＝0.5R1，或者R2－0.5R2＝0.5R2。即：　　0.5R1取值范围为0.22R1H～0.165R1H；　　0.5R2取值范围为0.272R2H～0.215R2H。其余量不大。　　我国在60年代以前参照或沿用前苏联的规范，改革开放以来，我国的油气管道规范参照或等同采用美国ASME　B31．4（输油管道）和ASME　B31．8（输气管道）规范。ASME　B31．4规范中的419．6．4（c）条规定轴向内压应力、弯曲应力和外力造成的轴向持续拉应力之和不应超过0.75　Sa(即0.54×SMYS，SMYS——规定的最小屈服强度，下同）。　　第402．3．1条规定许用环向内压应力S＝0.72×E×SMYS，按API　5L管材标准制造的管子E＝1.0，故S＝0.72　SMYS。在不增加壁厚的条件下，除纵向内压应力外，最大的允许外加纵向应力（弯曲应力和拉应力之和）不应超过0.18　SMYS，余量较前苏联规范更小(假设SMYS＝R2H)。　　ASME　B31.8输气管道规范中对跨越管段有如下规定：8．34．2条“支座、管吊、地锚宜如此安装，以不影响两地锚之间的管道的自由膨胀和收缩。”8．34．5（a）条“若输送管准备在环向应力小于50％　SMYS条件下操作，则支座或锚固件可直接焊在输送管上”。8．34．5（b）条“如输送管操作环向应力大于50％　SMYS，则输送管应支撑在一个完全环抱输送管的环形构件上。输送管与环形构件应采用连续焊缝连接