2010年11月CAESARII高级培训讲义- 埋地管道分析 - 何耀良

CAESAR IICAESAR II 埋地管道应力分析何耀良北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司2010由于埋地管道在石油天然气长距离输送城镇热电联产z由于埋地管道在石油、天然气长距离输送、城镇热电联产——区域供热领域应用广泛，出于安全性考虑，对埋地管道系统的分析设计尤为重要。

概述z埋地管线实际上是管道和各种附属元件整体组合安装形成的复杂系统。

概述z设计人员对当地环境土壤特性和地质情况的了解程度、所使用的分析假设，实际上决定了计算结果是否接近真实情况。

地质情解有恰当考虑热外载荷z对地质情况不了解，没有恰当考虑热胀、外载荷、土壤特性可能导致严重的安全问题各种失效概述特殊之处z埋地管线与架空管线存在较大差异：架空管线使用支吊架支撑导致失效的原因主要为垮塌（ 架空管线使用支吊架支撑，导致失效的原因主要为垮塌（一次应力）及疲劳失效（柔性）；埋地管线则承受连续土壤摩擦约束作用，特别是长直管道存在自然锚固现象，其主要失效形式则是热态应力引发的轴向失稳及疲劳破坏（柔性）对热态应力而言z热态应力是衡量管道轴向抗失稳能力的依据，当热态应力超标时，可能产生两类失效：热拱轴向失稳如何分析？z为避免事故的发生，我们需要对导致埋地管道失效的各种因素进行分析。

主要分为：z1.土壤约束（土壤特性，转为土壤约束模型）z2.管道柔性（管道分区，完全约束和活动段）z3.计算方法（标准规范）土壤约束z主要体现在土壤摩擦力上；z土壤的摩擦力是固有特性，与土壤以及管道表面粗糙度有关；z通常人们将连续约束简化为点约束；土壤约束但是这个点约束并非线性的土壤约束z实际的土壤约束曲线为一段圆弧，这增大了模拟计算的难度，人们通常引入简化算法：土壤约束z使用简化模型——土壤约束线性化（部分线性化）土壤刚度z约束简化为线性的静摩擦力及滑动摩擦力；临界点为极限载荷土壤的弹性和塑性转化点z临界点为极限载荷（土壤的弹性和塑性转化点）；z极限载荷出现时所对应的土壤变形量称为屈服位移；z可以通过多种方法来确定极限载荷及其屈服位移，常见的是将按照轴向摩擦力、横向进行区分。

1. CAESAR Basic Soil Model1CAESAR Basic Soil Modelz基于Peng's Theoryz该方法相对比较简单.这种土壤模型同样认为埋地管道周围的土壤发管道围的壤发生弹性——塑性变形过程。

而转换的临界点为程而转换的临界点为最大土壤约束.约束分为分为轴向横z约束分为分为轴向、横向,认为竖向和横向一致。

双线性土壤约束轴向极限载荷的计算)4/2(D t H D F f p s ax πρπρρμ++=µz µ 为土壤摩擦系数，参考值如下：9泥沙——0.49——0.5沙土0.59砂砾——0.69粘土——0.7粘z 无排水抗剪强度Su/600psf （自定义摩擦系数）z ρs ——土壤密度z H——地面至管顶的埋深z ρp ——管子密度土壤屈服位移与土壤刚度z当土壤处于弹性变形阶段时，通过土壤屈服位移及上面得到的极限载荷来求出土壤刚度。

z土壤屈服位移Yd=屈服位移系数×（H+D），其中屈服位移系数为用户定义的常数（H = 3D,建议默认值服位移系数为用户定义的常数为0.015）z于是所划分的单位长度管段所承受的轴向土壤约束刚度为：Kax=Fax/Yd横向极限载荷的计算[t (OCM D H F s tr ∗++=22)]2/45[tan()(5.0φρz Φ 为土壤的内摩擦角，参考值如下：9沙土——27-45°2635°9泥沙——26-359粘土——0°（如果给定Su ，那么tan 值替代为Su/250psf S /50p ）z OCM 为回填夯实系数（衡量土壤密实度),根据土壤颗粒大小及回填压实度，范围由1-8变化z 回填夯实度决定了管道挤压土壤所需要的力的大小z 同理，当得出力及位移后，横向刚度为：Ktr=Ftr/Yd 同理当得出力及位移后横向刚度为Basic Soil Model 土壤约束z z轴向土壤刚度单独考虑，主要是摩擦效果。

横向刚度和垂直刚度一致，主要是考虑埋深，夯实 效果，土壤摩擦角影响。

2010/11/6AECsoft土壤模型与密实度的关系z人们将各种不同的土壤（S0）进行归类，具有相似特性的土 壤指派到同一系列中（SC1——SC5），系列编号按照刚度 从大到小排列，这意味着SC1类土壤具有比SC2——SC5更 大的刚度。

通常SC5类土壤极不稳定且不适合于回填及做基 础层铺垫 具体见下表 础层铺垫。

具体见下表：AECsoft2010/11/6土壤模型与密实度的关系刚度类型 SC1 SC2 SC3 SC4 SC5 对应管段回填土壤材质 主要以直径1厘米以上碎石为主，沙土量少于 15%，颗粒土最大5% 粗粒状土壤为主，细沙粒少于12% 粗粒状土壤，细沙粒含量大于12% 细粒状土壤为主 含量大于12% 细粒状土壤为主，含量大于 含水分的细粒状土壤，非可塑性颗粒含量小于 30% 密实度 不需要进行夯 实处理 75-85%夯实 85-95%夯实 85 95%夯实 85-95% >95%夯实AECsoft2010/11/6土壤模型与密实度的关系 不同的夯实度，在土壤模型中以回填压实系数OCM 表征„1-1.5 „2-4 „5 „>5 无压实或完全松软回填 75-95%夯实度 大于95%夯实度 土壤异常坚硬（SC1类，见上表）zAECsoft2010/11/6其他土壤参数zf =摩擦系数，一般取值（国际）：„ „ „0.4 淤泥 0.5沙土 0 6大颗粒 0.6zP 土壤密度 可从土壤-岩土参数报告中获取 H 埋深 已知或假设zAECsoft2010/11/6其他土壤参数z zSu：含水抗剪强度，这个数值与摩擦系数相关 Mu=Su/600psf（磅每平方英尺）z不同的算法其Su值有所不同，可以通过下图查看。

常用算法：ASCE（较保 守 守）、 Proposed Equation等AECsoft2010/11/6CAESAR Basic Soil Model土壤摩擦系数土壤密度 壤 度 回填夯实系数OCM， 决定了管道在横向的 变形量管道埋深 土壤内摩擦角土壤抗剪强度屈服位移系数， 通常取埋深的 1.5%土壤模型的定义AECsoft2010/11/62 Amercian Lifelines Alliance 2.Amercianz除了CAESAR Basic Modal， American Lifelines Alliance 提 供了另一种计算最大土壤约束的 方法。

提供了沙土和黏土两个不同的模 具. 型工具 这种土壤模型同样认为埋地管道 周围的土壤发生弹性——塑性变 形过程。

而转换的临界点为最大 土壤约束， 约束分为轴向、横向、竖向。

zzzAECsoft2010/11/6轴向约束力和土壤弹性最大位移z轴向约束： T∆tu(1 + K 0 ) = πDαc + πDH γ tan δ 2−z= 最大轴向约束Tu对应的轴向极限位移¾ ¾ ¾ ¾= 密实沙土约3mm = 松散沙土约5mm = 刚性粘土约8mm = 软性粘土约10mm 10此值为估计值，应根据实际土壤情况确定AECsoft2010/11/6轴向约束力和土壤弹性最大位移其中，c为回填黏聚强度，通过试验或相关计算公式得到，其 值在18至140kpa之间变化，0表示砂土； α为附着系数，与c 值存在对应关系，可查ALA附表2得到，或留空由程序计算； γ为单位体积土壤的有效重量，一般以有效密度输入；K0为 静止压力系数，砂土一般取0.5；δ为管道与土壤接触面摩擦 角=f fΦ。

f为涂层系数，取值见下表； 为涂层系数 取值见下表 Φ为土壤内摩擦角。

为土壤内摩擦角AECsoft2010/11/6横向最大约束力和土壤弹性最大位移 横向约束：zPu = N ch cD D + N qh γ HDz∆p = 最大横向约束Pu对应的横向位移D = 0.04( ( H + ) ≤ 0.1Dto0.15D 2Nch N h及Nqh N h分别指的是黏土及砂土的土壤横向变形系数， 分别指的是黏土及砂土的土壤横向变形系数 可以参照ALA附录B.3查看其一般取值。

∆p表示最大横向 位移，按上述公式计算，但只能在0.1D 0 1D至0.15D 0 15D之间变动。

AECsoft2010/11/6横向最大约束力和土壤弹性最大位移c d N ch = a + bx + + ≤9 2 3 ( x + 1) ( x + 1)N qh = a + bx + cx 2 + dx3 + ex 4ALA附录B.2 Nch及Nqh的取值AECsoft2010/11/6向上最大约束力和土壤最大弹性形变z最大竖直约束力（向上）：Q u = N cv cD + N qv γ HDz z z∆qu = Qu对应的最大竖向位移（向上） =对于松质的沙土，0.01H到0.02H，且其值必须小于0.1D =对于粘质土壤，0.1H到0.2H，且其值必须小于0.2D同理，Ncv及Nqv为竖向变形系数，其中，Ncv对应黏土=2（H/D）≤10 Nqv对应砂土=(φH/44D) ≤NqAECsoft2010/11/6向下最大约束力和土壤弹性最大位移 最大竖直约束（向下）：D2 Q d = N c cD + N q γ HD + N γ γ 2z z zz∆qd =计算所需的位移 =砂土取0.1D =黏土取0.2DAECsoft2010/11/6土壤承载能力系数土壤承载能力系 数Nc、Nq、Nγ 可通过右图确定 ： 但实际上，所有 的系数均不需要 输入，软件将自 动根据已知条件 计算相应数值。

计算相应数值zzAECsoft2010/11/6Amercian Lifelines Alliance土壤模型 ALA土壤模型中，对土壤刚度造成影响的参数有：z土壤干燥密度/有效密度、管道直径D、埋深H（当埋深达到 一定程度时将不再作为控制参数）土壤静压系数 静 k0、土壤附 附 着系数α、土壤内摩擦角Φ、回填黏聚强度c、涂层系数f以及 各向极限位移控制系数。

相当Basic Soil Model 各方向土壤刚度模型分别计算更为精确 、细致。

zAECsoft2010/11/6抗剪强度的库仑定律z1773年库仑通过实验确定了无论是在粘土还是砂土条件下 ，土壤剪切面正应力与其抗剪切强度均满足线性关系，其 图线如下所示。

抗剪强度线与正应力（横轴）的夹角即为 土壤的内摩擦角。

τfϕσ2010/11/6AECsoft土壤的内摩擦角 土壤的内摩擦角在埋地管线中是一个重要的参数， 其数值与土壤的弹性极限强度、轴向、横向、竖向 极限载荷等参数均有密切关系，从而影响了土壤刚 度、弹性臂长、锚固段长度的计算，并间接影响埋 地管线热应力的计算。