管道与储罐强度-1地下管道

290~440*
《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
L360MB L415NB L415QB L415MB L450QB L450MB L485QB L485MB 450~570* 485~605* 555~675* 415~565* 1
L555QB
L EA EA T2 T1 L
P E T2 T1 A

2、泊松效应
p
h
E
泊松效应在管道中产生拉应力
pD s p = ns h = n 2t
轴向应力和变形的两个分量：
• 压力分量（拉）——泊松效应； • 温度分量（通常为压）；
总的轴向应变（如果可以自由伸缩）：






• 弹性力学的经典公式
仅有内压
pi ri 2 h 2 2 r0 ri r02 1 r 2
r02 1 r 2
pi ri 2 r 2 r0 ri 2
环向应力的最大值在内壁
h max
pi r02 ri 2 r02 ri 2
0.6
0.6
0.5
0.4
0.5
0.5
0.5
0.4
0.5
0.5
0.5
0.4
管道跨越强度设计系数
工程等级 设计系数 大型 输气 0.4 0.5 输油 0.45 0.55 输气 0.45 0.55 中型 输油 0.5 0.6 输气 0.5 0.6 小型 输油 0.55 0.65
跨越工程分类
甲类 乙类
管道跨越工程等级
地区等级（沿管道中心线两侧各200m范围内，任意划分成长度为 2km并能包括最大聚居户数的若干地段 ） • 一级地区：户数在15户或以下的区段； • 二级地区：户数在15户以上、100户以下的区段； • 三级地区：户数在100户或以上的区段，包括市郊居住区、商业 区、工业区、发展区以及不够四级地区条件的人口稠密区
F
精确解：
F pd 2 a 2 D2 d 2 D d2 4


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：
D 273 mm
9mm
d 255 mm
固定支墩设计上的考虑
–支墩受力平衡； –支墩不倾覆； –支墩下面的土壤有足够的耐压。
一、固定支墩的受力平衡计算
H0
Fa
H
b
a
管道作用在固定支墩上的推力
pD Fa A E T2 T1 4t A E T2 T1 0.2
Fa — 轴 向 力
• 四级地区：系指四层及四层以上楼房（不计地下室层数）普通集 中、交通频繁、地下设施多的地区。
穿越铁路、公路和及输气站内管道的强度设计系数
地区等级 管道及管段 一 二 强度设计系数（F） 有套管穿越Ⅲ、Ⅳ级公路 的管道 无套管穿越Ⅲ、Ⅳ级公路 的管道 有套管穿越Ⅰ、Ⅱ级公路， 高速公路、铁路的管道 输气站内管道及其上、下 游各 200m 管道，截断阀室 管 道 及 其上 、下 游 各 50m 管道（其距离从输气站和 阀室边界线起算） 人群聚集场所的管道 0.72 0.6 0.6 0.5 0.5 0.5 0.4 0.4 三 四
L p t
h
E
T
总的轴向应力（如果受到约束）：
a
pD E T 2t
例1-3：直径762mm管道，壁厚22.2mm，内压15MPa，温度变化90℃。管材的 弹性模量E=210Gpa，泊松系数=0.3，线膨胀系数。试按上述公式计算轴向 应力的泊松效应分量、温度分量以及总的轴向应力。
• 截断阀设置等安全管理的重要依据。
1-4 轴向应力与变形
• 产生轴向应力的原因：
– 温度变化
– 内压泊松效应
– 内压轴向作用（局部）
1、热应力——两端固定管道
P
在静不定结构中，温度变化将引起应力。
热伸长
L T 2 T1 L
变形协调条件
L P L EA
求出
P
热应力
焊缝系 数
备注
《输送流体用无缝钢管》
GB/T 8163-1999
L450(X65)
L485(X70)
450(448)
485(482)
L555(X80)
555(551)
钢管的最低屈服强度和焊缝系数（二）
钢管标准名称 钢号或钢级 L245NB L245MB L290NB L290MB L360NB L360QB 360~510* B级管的质量和 试验要求 高于A级管 最低屈服强度(Mpa） 245~440* 焊缝系数 备注


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
D 273 mm 9mm ro 136.5mm ri 127.5mm p 10MPa
薄壁和厚壁管道公式计算如下：
薄壁： 厚壁：
sh = pD 10´ 273 = = 151.7 MPa 2t 2´ 9
L555MB
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。
2、输油管道的壁厚设计公式

pD 2
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
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。
环向应力
pD 2 h
p
σ
p
σ
h
pD 2
Barlow公式
D
D
轴向应力
近似解
a
p
F pD 2 pD a A 4D 4
p 10MPa
轴向应力
精确值：
pd 2 10 2552 a 2 68.4MPa D d 2 2732 2552
pD 10´ 273 = = 75.3MPa 4d 4´ 9
近似值（薄壁）：
sa =
两者的相对误差为10.8％。
管道横截面系数
精确值：
Z 32
D4 d 4
D
2734 2554 4.7672 105 m m3 32 273
近似值：
Dd 273 255 5 3 Z r 3.14 9 4.9240 10 mm 2 2
E —弹性模量
pD 2t pD 2t
A —横 截 面 面 积
— 膨胀系数
T2 — 最 大 或 最 小 运 行 温 度
T1 — 安 装 温 度
—泊松系数
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。

式中
pD 2 sFt
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120C时，取t=1.0。
输气管道的强度设计系数
地区等级 一级地区 二级地区 三级地区 四级地区 强度设计系数 0.72 0.6 0.5 0.4
–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。
h max
pi r02 ri 2 10 136.5 2 127.5 2 146.8 MPa r02 ri 2 136.5 2 127.5 2




两者的误差为3.3%。
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
解：泊松效应的应力分量为
ap
温度应力分量
pD 15 762 0.3 77.2 MPa 2t 2 22.2
at Et 210103 1.2 105 90 226.8 MPa
总的轴向应力为
a ap at 77.2 226.8 149.6 MPa
摩擦系数 0.70/0.65 0.72/0.60 0.65/0.60 0.65/0.55 0.57/0.55 0.62/0.50 0.53/0.40 0.55/0.35 0.47/0.25 0.60/0.40 0.50/0.25
1-5 固定支墩的设计计算
• 固定支墩的作用是防止管线的轴向运动。