我国输水钢管同国外的差距及展望(二)美国输水钢管的管厚设计.doc

我国输水钢管同国外的差距及展望(二）美国输水钢管的管厚设计我国输水钢管同国外的差距及展望 （二）美国输水钢管的管厚设计 沈之基 摘要：在同样工况条件下，美国设计的管厚只是中国的二分之一到三分之二，如此经济的设计，其安全可靠性得到大量的工程实践证明，这是美国几十年工作的积淀；应加强对美国钢管过去和今天的调查研究，为我所用。 1美国的管厚设计按内压计算 美国输水钢管的设计理是完全彻底的柔性管理念, 其设计方法非常简洁,按内压决定管厚,然后以该管厚校核外压真空条件下的稳定并校核回填后管的变形. 现今国内外所有的玻璃钢管设计也都是采用这样的模式的。这里摘录美国一个钢管公司的设计手册（1）中的所述,以作为美国现在输水钢管设计思想的代表, 该公司自称是行业领头羊. 1.1 概述 钢水管必须设计得能胜任服务条件, 要符合这个要求, 那重要的一项就是在水量、线路决定之后, 进行专门的管厚设计; 管厚设计的第一步也是最关键的一步是由内水压来决定管厚;一旦管厚决定,再对外压负载和真空状态作校核,回填造成的变形也需校核,需要时可通过提高综合壁厚或回填质量来调整结果. 设计内水压决定于静水头和因泵、阀引起的水击,管壁应力(环向应力)由Barlow公式计算. （公式1） 式中: s 容许设计应力psi (磅/平方英寸) p 内水压 psi (磅/平方英寸) t 管壁厚度 in(英寸) d 管外径 in(英寸) 对通常工作压力或静水头,设计应力控制在材料屈服强度的50%;对运行负载,如水击状况等,则设计应力控制在材料屈服强度的75%.输水钢管所用钢板的屈服强度3000050000psi(约为205345Mpa). 高强度的钢板费用较高,在管线设计压力超过150 psi(约为1.0Mpa)时应于考虑，对于低压管线好处极微. 管线在经受真空条件时,要求管厚设计得能抵抗塌陷而稳定,塌陷压力按Stewart公式计算; 钢管的外压承受能力是受管壁刚性以及管外回填土的被动抗力影响的.预计的管变形可由Spangler公式计算。 12设计例 设计一条公称内径48英寸的管线,其工作压力为200psi(约1.4Mpa) , 水击压80 psi(约0.56Mpa ),管线现场试验压力250 psi(约1.75Mpa );管线的复土高为510英尺(约1.53.0米);管区内的土层是由较少或不含细料的颗粒料组成, 压缩到标准葡氏90%;防腐措施内防腐是在工厂内涂衬水泥砂浆,外防腐是包扎防腐带. 内压设计钢板采用屈服强度为42000psi高强度钢板, 设计容许应力s为屈服强度50%时是21000psi , 设计容许应力s为屈服强度75%时是31500psi ; 按Barlow公式t =pd/2s计算如下: a. 工作压力状况 t=200(49.5)/ 2(21000)=0.236英寸 b. 水击压状况 t=(200+80)(49.5)/ 2(31500)=0.220英寸 c. 现场试验压力状况t=250(49.5)/ 2(31500)=0.196英寸 设计工程师必须采用其中最大者, 本例中为工作压力状况, 0.236英寸(约6毫米). 对这个壁厚，应再对真空状态的稳定及回填造成的变形作校核, 本例校核结果都通过，表明采用这个壁厚是可以的。 这里还要指出的是，采用这个壁厚，如用中国的埋地钢管管道结构设计规程（2）规定和公式作稳定和变形校核，同样是可通过的。又，如钢板采用屈服强度为36000psi普通钢板，那计算得到的管厚是0.275英寸（约7毫米）。 2中国的管厚设计内外压叠加后计算 给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程，将钢管也看作柔性管，对钢管极限状态计算提出强度计算、稳定验算、刚度验算三项计算，同美国的框架相似；但在决定管厚的最重要的一项，即强度计算上，采用的理念和方法，有较大的差别。下面是该项计算的主要公式。 (公式2) (公式3) (公式4) 式中 、N 、M 分别为管截面上的最大环向应力、最大环向轴力设计值、最大环向弯距设计值。 bo、to、 ro 、D1 分别为计算宽度、计算厚度、计算半径、管外径 FWd,k 为设计内水压力 Ed 、 Ep 分别为管侧土的综合变形模量、管材弹性模量。 G1K、 、F SV , K 、GWK、qik 分别为管自重、复土压力、管内水重、地面荷重的标准值 其余为该设计规程给定的系数 按该设计规程，用公式2、3、4，对上面的美国设计例所列出条件进行计算，得到的结果是管厚15毫米。计算过程这里不于列出。 公式2的前半部分实际上同美国管厚计算公式相当，是内水压生产的环向拉应力；其后半部分是管重、复土重、管内水重以及地面荷重等全部外压对管的压扁作用产生的结果，是钢管因上述作用产生环向弯距的拉应力最大值；将这二个拉应力叠加后再来得到管厚，结果计算得到的管厚自然要大得多；对口径较大、埋设较深的管线，后半部分的计算值可以同前半部分相当甚至更大（3）；本文上面的美国案例按中国标准的方法、公式计算，之所以会得出几乎大一倍的管厚就是因为这个原因。这种将内外压组合叠加后，再来验算强度、决定管厚或结构用材的模式，为许多半刚半柔结构采用，国内外的球铁管、预应力混凝土管的管厚或管壁设计，都采用这样的模式。 3可取准则和美国工程实践 对上面二种钢管管厚设计理论和相应的计算公式，这里我们暂不对哪种方法更科学、合理展开讨论，因为再多的讨论也难以得到一个统一的意见，如仅从理论上来讨论, 这将是一个很难说清楚的问题(如有同行有兴趣讨论，我们可在网上进行)。 但于哪种方法更可取，应该是可以提出一条准则的，这就是：“在管线充分安全运行的前提下，能取得最经济结果的设计理论和方法，应是首先考虑的”。 用钱多少这是比较容易说得清楚的问题，充分安全运行这个问题怎样来解决。实践是检验真理的唯一标准，因此唯有所设计的工程的实施结果才是判别是否充分安全的最有力标准。 美国在输水钢管工程实践上，时间跨度之长，工程案例之多，是几倍、几十倍于我国的，这些实践就是其设计理论和方法应是“充分安全”的最有力证明。 下面举出美国一个钢管公司的几个工程所采用的管厚，其中，94英寸（2.39米）口径管用的厚度为0.375英寸（9.52毫米），60英寸（1.52米）用0.307英寸（7.8毫米）36英寸（0.914米）用0.180英寸（4.6毫米）。采用的这样薄的壁厚设计，现在我国是不能设想和很少人能敢于接受的；这几个案例不是特例，在收到这个材料中，有80多个工程案例，其中60多个案例都采用这样的、相当中国常用管厚的二分之一到三分之二的厚度。这么多工程采用这样的厚度，由此可以认为美国采用较薄的管厚设计是充分安全的。 输水钢管的管厚设计是一个非常专业的技术问题，埋地钢管管道结构设计规程又是2002年才出台的、集国内各大市政设计院的经验的新标准，因此本文所提出问题从技术面看，讨论参与者应是有限狭窄的；但是，如果我们今后的输水钢管建设能更安全，建设费用又能因此节约二成，这应该是非常有意思的事，所以建设项目的责任者，管钱的老总，应是更加关心这个问题的。 这里表中将收到材料中部分信息列出，一方面可作为工程支持是实际存在的证明，另一方面可供有意的先生由此进一步搜索。 Bid Job Owner Engineer Diam Wall Feet 08-Jan-04 36 WM Along Westview & Wisterwood Houston, TX - City of Lockwood, Andrews andNewnam, Inc 36 0.180 5,397 13-Jan-04 HRSD Elbow Road B Interceptor Force Main Hampton Roads Sanitary District Gannett Fleming - Newport News, VA 48 0.310 8,500 25-Mar-04 Houston-Bammel Road Project North Harris County Regional Water Authority Pate Engineering 42 0.210 2,585 25-Mar-04 Houston-Bammel Road Project North Harris County Regional Water Authority Pate Engineering 48 0.230 3,150 29-Apr-04 36 WTM along Hillcroft Ave. & etal. Houston, TX - City of Lockwood, Andrews and Newnam, Inc 36 0.180 6,280 27-May-04 LNWI - South/North Sacramento River Crossing Sacramento County Regional Sanitation District Hatch, Mott, & McDonald 66 0.410 4,226 27-May-04 LNWI - South/North Sacramento River Crossing Sacramento County Regional Sanitation District Hatch, Mott, & McDonald 60 0.380 3,985 01-Jun-04 Green Bay Parallel Raw Waterline - Phase1 Green Bay, City of Alvord, Burdick & Howson Chicago 54 0.250 13,521 02-Jun-04 South Bay Aqueduct-Pipeline Repairs-Mile Post 39 Dept of Water Resources California Dept of Water Resources California 72 0.380 600 22-Jun-04 McKinney - Frisco Pipeline - Contract B(60) North Texas Municipal WaterDistrict Freese & Nichols Fort Worth 60 0.280 8,800 21-Jul-04 Raw Water Pipeline - Segment 2 & 3 Lewis & Clark Rural Water System Banner & Associates - SD 54 0.250 34,565 27-Jul-04 Proposed 48 Water Line along Centerpoint North Harris County Regional Water Authority Turner, Collie & Braden Houston 48 0.230 12,346 12-Aug-04 NWI- Yolo Force Main Sacramento County Regional Sanitation District CDM/West Yost & Associates 66 0.380 42,418 24-Sep-04 Windmill/Tenaya 2745 Zone S. Contr.#1081 Las Vegas Valley Water District VTN Engineers 48 0.250 17,995 26-Oct-04 NE Loop 375 Groundwater & Surface Trans. Main El Paso Water Utilities Brown & Caldwell - El Paso 36 0.170 17,335 4 捷径 只要我们追求发展，认可美国输水钢管的实践比我们深厚得多，那有什么理由不承认美国的输水钢管技术比我们高呢？美国的这些积淀是他们的财富，我们用很小的投入就能拿过来为我们所用，不应轻易放弃，开始努力吧。 4.1接受事实，开始学习。 近二十年来，我们建设的输水钢管线都在运行，为保障城市供水作着贡献，钢管线的表现还比玻璃钢管线、混凝土压力管线好，也取得不少的科技成果，我们是成功者；事业成功者是事业继续向前的主要推动力，也可以是阻力；作为成功者，今天，要接受较美国技术有很大差距的事实，是需要勇气的，有快乐，也有点痛苦；为了发展，必须接受事实，努力学习； 4.2捷径是深入调研美国。输水管线是城市的生命线，确保安全运行的责任重大，要接受采用更薄管厚的理念，靠研究、试验是很难在短时间内搞定的，只有大量成功的工程实践才是接受薄管理念的有力证明和依据；我们自己再来作这些证明是不明智的。美国在这些方面积淀是他们的财富，但也可为我们所用；我们应弄清美国输水钢管发展的全过程，从中取得经验、证明，用很小的投入就将美国几十年的成果拿过来。只要手中有几千万的管线工程项目的业主、设计院、工程承包商，都可以并应该进入调研美国输水钢管的过去和现在的实际行动，在输水钢管的发展上取得新的成功。 4.3钢管公司要把握机会。 更优更廉的输水钢管线，业主、设计院、管线建设承包商，钢管公司，都将是受益者，每一家都可以是事情的积极推动者；但无论那一家的推动工作，实质性的第一步