管道的稳定性应力分析及解决方案

管道的稳定性应力分析及解决方案
一、失稳的定义
失稳定义：轴向受压的细长直杆当压力过大时，可能会突然变弯，失去原来直线形式的平衡状态，而丧失继续承载的能力，称这种现象为丧失稳定，即失稳。

针对管道，下面发生的问题均为管道整体失稳：
1、架空管道（左右摆龙）：
2、埋地管道（顶起，顶出地面，河面，起褶皱）
架空或埋地管道发生失稳的原因是管道热胀被两侧锚固，或连续土壤约束给限制住了，导致管道形成挤压作用，如果温差大，挤压力大，架空管道缺少导向架，或埋地管道埋深覆土过浅，就会让管道抵抗挤压能力变弱，容易发生上述失稳。

解决方法：解决上述管道失稳有两个办法，一个是采用补偿设计增大管道柔性，降低轴力；另外一个就是增加导向架密度和埋深，增大管道抗挤压能力。

局部失稳的概念
局部失稳指在钢结构中，受压、受弯、受剪或在复杂应力下的板件由于宽厚比过大，板件发生屈曲的现象。

管道局部失稳主要是针对大口径薄壁管道，轴向挤压严重，发生局部褶皱，也有外压影响，管道环向发生失稳，产生压瘪现象：
热力直埋管道在轴向挤压作用下发生褶皱（中国热力俗称“起包”），是因为管道被约束住（两端固定，或处在埋地锚固段），热胀产生的轴力挤压管道，管道径厚比r/t过大，壁厚薄，抗挤压能力弱，就容易发生上面局部失稳情况。

解决的方法是增大管道柔性降低轴力或加大壁厚增加抗挤压能力。

针对环向外压压瘪失稳，最好的办法就是在管道外壁增设补强圈，抵抗外压作用，避免发生外压失稳。

还有一种局部失稳，就是管道在轴力推挤和弯曲应力共同作用下，一侧
产生褶皱：
这种一侧发生管道褶皱，往往都是发生在折角弯管或弯管附近直管上面，直线管道热胀推压弯管，弯管发生弯曲变形，由于直管推压导致大弯曲应力作用，弧段发生失稳，就会进入塑性变形，产生一侧褶皱变形。

这个折角弧段失稳，不同于引发管疲劳破坏的二次应力。

首先，它是重量+温度+压力等全部载荷共同作用下，导致折角弧段或直段发生失稳破坏。

失稳控制是第一位的，这个满足后，我们才会检查弯头，折角和三通的疲劳二次应力。

管道热胀导致活动段发生运动，对折角弧段或弯头发生挤压及弯曲，首先必须保证热态全载荷作用下不发生失稳，其次是热态-冷态来回循环变化应力范围要满足安定性要求，确保疲劳寿命的满足。

可能很多人误认为弯头变形是温度热胀引发的，温度引发的就是二次应力，二次应力就得按安定性原则来控制，这是错误的。

管道热胀对折角弯头或弧管有两个破坏作用，一个是引发弧管失稳，产生褶皱；另外一个就是如果不发生失稳，冷热循环导致二次应力，对弯管或弯头产生疲劳破坏。

一个原因，引发两个不同的结果。

不允许发生失稳，也不允许二次应力超标产生疲劳破坏。

解决的方法：要想避免一侧弯管起褶皱，就得增大管道柔性，折角位置控制热态弯曲应力水平，埋地管道在折角附近做松软回填或包裹，增大折角位置柔性，释放热胀推力。

不让发生失稳，降低轴力和弯矩，增加柔性就可以。

这和改进管道柔性是一回事。

节点热态应力超标，而二次应力不超标，而热态OPE应力超标。

这个警告客户轴向力挤压和折角弯将要发生塑性失稳变形，起褶皱。

这不是疲劳问题，不是我们平时考虑的二次应力问题。

是折角弯失稳问题。

二、稳定性问题和强度问题的区别
稳定问题是一个变形问题，一个构件的变形大或小取决于整个构件的刚度，而不是取决于某一特定截面，稳定问题是针对整个构件的，结构是由各个杆件组成的一个整体。

当一个杆件发生失稳变形后，它必然牵动和它刚性连接的其他杆件，杆件的稳定性不能就某一根杆件去孤立地分析，而应当考虑其他杆件对它的约束作用。

这种约束作用是要从结构的整体分析来确定的，这就是稳定的整体性问题。

强度问题是指由作用对结构构件产生的截面最大内力或截面上某点的最大应力是否超过截面的承载能力或材料的强度。

结构稳定计算与强度计算的最大不同是计算要在结构变形后的几何形状和位置进行，其方法属于几何非线性范畴，叠加原理不再适用
举个例子：建筑工地上常见的塔吊。

垂直立柱受压，他的主要问题就是承受压应力的稳定性问题，他的截面和长度（长细比）和他中间的导向架决定了他的抗压能力；但横梁和斜撑，以及所有节点不是受拉，就是受弯或受剪力和扭矩，都是强度问题。

三、如何区别强度问题和稳定性问题
1、破坏形式不同。

强度破坏是承压问题，承重跨度问题，温度导致热胀管道柔性问题。

这些问题主要导致管道垮塌，爆裂和疲劳寿命缩短产生裂纹破坏等。

管道稳定破坏是结构问题，是管道形状维持不住，整体失稳导致管道左右摆龙，干扰附近管道和挡土墙；局部失稳一旦发生，就会进入塑性大变形，这时管道已经从失稳进入破坏形状后的塑性变形，导致通流通道缩小，管道产生应力从压应力变成弯拉和压应力，严重会导致管道断裂，否则应力水平高会诱发应力腐蚀，加速管道腐蚀减薄作用。

2、分析方法不同：管道强度问题，都是按应力分类法，进行载荷分类，获得规范应力，依据强度原则进行比较控制应力水平。

主要是控制承压壁厚，一次应力（压力+重量载荷引发），二次应力（温度引发变形导致），以及偶然应力控制（偶然载荷引发）。

稳定性都是全载荷（重量+压力+温度）共同作用，长直管道主要是轴力和导向约束，埋深；折角位置，主要是轴应力+弯应力（一侧拉，一侧压）；局部失稳，主要是检查轴力，埋深和径厚比的关系。

3、判断原则不同：强度问题都是进基于许用应力控制，承压和承重都是用一倍许用应力来控制；温度产生弯矩作用在弯头和三通处，产生疲劳破坏，通过安定性原则或疲劳曲线来控制许用应力。

而稳定性是通过临界许用压应力来控制的。

临界许用压应力大小是管道几何结构和临近约束条件决定的。

再次重申，许用压应力和屈服强度没有任何关系，和安定性也没有任何关系，国内区域供热CJJ81规范编制人和有些人一直在错误解释热水直埋管道锚固段失效破坏原因和失效控制原则，用屈服应力折算温差-称作“屈服温差”解释失稳，误认为受压失稳控制在，用安定性原则来做失稳许用压应力。

屈服强度是材料拉伸特性，我们都是通过屈服强度和拉伸极限结合安全系数获得许用应力。

许用应力都是用在承压和承重强度控制上。

安定性是针对弯头和三通在热胀载荷作用下发生弯曲，扭转交变应力允许大变形（弹-塑性），采用三倍许用应力的控制疲劳应力方法。

管道承压，承重和柔性设计都是强度问题，不是稳定性问题。

四、如何控制失稳
根据材料力学的基本理论之一-欧拉公式，压杆是否会产生失稳，与压杆的长细比及抗弯刚度有关。

在长直管道上，多增设导向架（相当于减小管段长度）、通
过走向优化减少管道系统外载（轴向力），都可以避免失稳的发生。

压力管道系统功能是安全输送工艺介质，满足工艺要求，确保系统安全。

压力管道不允许发生强度问题，不允许发生挠度过大变形，也不允许发生稳定性问题。

这就是我们俗称的管道要满足“强度”，“刚度”和稳定性“三个控制要求，只有这样，才能保证管道安全，寿命长久，应力腐蚀得到有效控制等。

近年来，国内各行业管道建设速度快，规模大，复杂度高，各种事故频发。

也出现失稳破坏事故增多，很多人不了解失稳，分不清折角弧段失稳和疲劳二次应力区别，对局部失稳（大口径埋地管道升温时，发出巨响）不清楚，失稳导致管道发生形变，多数情况下埋地管道不会被人们发现，除非做内检验或泄露发生，但这些需要一定时间才能觉察到，即便发现，运营人员也不知道解决和避免方法。

管道失稳，起褶皱给后面的承压和柔性等强度问题都带来了未知变量，给运行高度埋下事故隐患。

避免管道失稳，从根本上讲，我们必须了解带有温度的管道需要柔性设计，释放热载。

无论埋地还是架空敷设热输管道都要考虑温度补偿，进行柔性设计，降低管道轴力，降低对弯头的挤压和弯曲作用，从根本上避免失稳发生。

至于加大埋深和增大管道壁厚，都是不去主动解决问题，而是采用通过提高许用压应力方式控制失稳，管道线路很长，有加强的地方，就有更加减弱的地方，抗失稳能力增强了，可能轴力增加更大，埋深就得也加大，轴力高对管线上三通，大小头，阀门都带来严重危害，这种方法往往不可取。