直埋管道固定墩设置探究

1、直埋管道固定墩设置探究概述当管道因温度变化发生热胀冷缩是，若管线受到约束，管线内便产生热应力。为保护管道与管接头、管道弯头、及其他一些附件正常安全工作，就必须在管道上设置固定墩以限制管段的位移在允许的范围之内。管道固定墩计算结果通常非常惊人，管线固定墩的推力动辄几十吨，固定墩的尺寸也到了数米的程度。如此巨大的固定墩消耗了相当多的混凝土，并且增加了巨大的施工难度。如何的计算固定墩的实际所需推力，并减少固定墩的尺寸及安装空间，无疑是一个需要探讨的课题。工程实例在直罗 富县原油插输工程中，输油管道规格为1635.（66.3）PSL2 B 级钢管，40mm 厚泡沫黄夹克保温，总长度 92.88km，沿

2、线多为山地、河谷等。管道共设有 80 余个固定墩，分别设于管道出土段、 穿跨越等处。管道运行温度为 60，安装温度为 20，温差为 40。固定墩设计推力为 5t，单个固定墩尺寸为 1.4m1.5m1.2m，消耗混凝土约 2.5m3。通常，固定墩的计算公式为：N=FET式中F 管壁截面积（ m2）；E 管材弹性模量（ Pa），一般取 2.06 1011Pa；管材线膨胀系数（ cm/cm），钢管为 1.2 10-5/；T安装温度和运行温度差（） 。此计算结果仅考虑限制管线变形产生的应力，论计算推力很大。一般对固定支墩的推力为公式计算值乘一个折减系数。折减系数取 1/21/3。直罗 富县原油插输工程

3、中，管道最高运行温度为60，安装温度为20，计算推力为 30t。实际需要的推力可能要远小于计算推力，是因为：（1）固定支墩不能绝对固定，稍有位移将使推力减小。（2）埋地弯头或管道的出土段的弯头处都有土壤反力的作用， 它与推力方向相反，因此使推力减小。土壤对弯头的推力与弯头位移、土壤性质和夯实程度等有关，难以精确计算。管道的伸长量管道埋于土壤中，伸长或者收缩受到土壤摩擦力的作用。摩擦的阻力的大小与管线的长度成正比，当管线达到一定长度是，摩擦阻力将平衡温度应力引起的轴向力，管1线不能伸缩。土壤中管线不能伸缩的最小长度 ls（m）为 1 ls= E T Da /f2(Pv+Ps)D+q式中Da 管线

4、的平均直径， m；管线壁厚， m；f 管线与土壤的摩擦系数，一般f=0.30.6；q 单位长管线（包括管内介质）的重量， N/m ； Pv 管线顶部埋土压力， N/m；Ps 管线两侧所受的被动土压力，N/m。式中 q 的取值一般占分母的3%10%，实际计算可将q 忽略。通过简化可能到：ls= ET /0.847tghf 式中t 土壤的密度， kg/m3；h 管线埋深， m。管线出土端的长度超过ls 以上的部分不能伸缩，而在ls 范围内管线向出土段一端伸长（或收缩）量将因为土壤摩擦力的影响而减少一半，及出土端伸长量为：ls=0.5 T ls直罗 富县原油插输工程中，管道管顶埋深为 1.2m，计算

5、管道在土壤中不能伸缩的最小长度 ls=51.47m；出土端伸长量为 0.012m。0.012m的变形量会产生多大影响呢？在埋地管道中的弯头相当一个自由端或半自由端， 与弯头两端相连的部分为过渡段。当弯头曲率半径由于位置的限制而取得较小时 (如进出站或穿跨越处 ) ， 其吸收变形的能力很小， 两个过渡段的变形将集中在弯头上， 这样可能使弯头的断面变扁、屈曲而破坏。弯头允许有一定的变形。 弯头允许变形的限度以不产生永久变形和不产生屈曲为原则， 求出弯头两端允许的位移量。 其位移的具体数值与弯头的几何尺寸(直径、壁厚 ) 有关， 与弯头的角度、方向等有关，应对此进行理论分析和实际的测定。考虑到一定的

6、安全度以后， 弯头两端允许多少位移就给予多少位移， 亦即允许固定墩有多少位移。固定墩有位移以后，两端由嵌固变成了某些放松，这样固定墩所需承受的推力大为降低。如果弯头可以吸收全部由过渡段传来的位移量，则弯头不必加以保护。因此可以通过增加弯头或弯管的曲率半径来增加过渡段变形量吸收能力，减小固定墩推力或者不设固定墩。考虑位移的固定墩计算固定墩的计算是一般是按照锚固死计算的，但是实际中土壤再夯实也不会是刚性体。大直径管道如果按照锚固死计算产生的推力高达几十吨甚至几百吨，固定墩尺寸不可避免的要很大。但是当管线自由端稍微产生位移之后，推力迅速减小。固定墩微量变2形后推力的变化。由嵌固段最大轴向力公式2 ：

7、F max=（ E- tan）A根据推导，如果该管段允许端部固定墩产生微量变形L，则此时：Fmax=（E- tan-E L/L ） Atan 环向应力（ kg/cm2）；工作温度与安装温度的温差（）；泊松系数（ 0.3）；E 管材的弹性模量（ E=2.1 10-6m/m/）；L 实际安装长度（ m）；A 管材截面积（ cm）。在工艺条件允许的条件下， 加入管线位移进行计算， 可有效减少固定墩推力的大小，进而减小固定墩的尺寸。在直罗 原油插输工程中，经上述计算，管线自由端位移为 0.012m。假设工艺允许位移量为 0.006m，计算出的推力则减小至原来的一半。若工艺管线允许自由端位移0.012m

8、的话，可不设置固定墩。固定墩上土压力的大小及分布规律受到固定墩可能的移动方向、 周围填土多少、填土面形式、固定墩的截面刚度和地基变形等一系列因素的影响。 土压力一般可分为三种：主动土压力 Ea，即固定墩向离开土体方向偏移， 达到极限平衡状态作用在固定墩上的土压力，与管道推力方向相同；被动土压力 Ep，即固定墩向土体方向偏移，达到极限平衡状态作用在固定墩上的土压力；静止土压力 Eo，当固定墩静止不动，土体处于弹性平衡状态，作用在固定墩上的土压力 . 三者的关系 EaEoEp。被动土压力的值很大，但是产生这样大的被动土压力值的前提是需要一定的位移量。固定墩的推力与固定墩在土中的摩擦力及墩的后背土反

9、力形成一种平衡。 这是一种有条件的平衡，即在满足管道允许产生最大位移范围内的平衡。在具体设计中我们发现由管道产生的对固定墩的推力如完全用墩与土的摩擦力来平衡，那么混凝土的用量很大，造成浪费；若过大地利用墩后背土反力则在达到最大被动土压力来满足平衡时，固定墩位移量过大，管道运行不安全，所以只能在满足固定墩最大允许位移的条件下，由土反力平衡后，剩余的推力由固定墩与土的摩擦力来平衡，这时固定墩的混凝土用量才是经济的，管道运行也是安全的。所以在做固定墩设计的时候， 可以由工艺允许最大位移量下计算固定墩尺寸。 同时可通过增加固定墩周围土壤换填、土壤夯实程度、增加固定墩迎土面面积的方式，来增加固定墩被动土

10、压力，减小固定墩尺寸。考虑土壤推力的固定墩计算3固定墩通常设置于管线出土端或者管线穿跨越时，用以保护弯头及管线连接设备。管道伸长时，除了受到土壤的摩擦力及固定墩的推力外，弯头还受到土壤的推力，力的方向与管线的轴向应力相反。所以固定墩用于保护弯头时，受到的管道总推力P总是小于锚死直管自由端时所需承受的推力Q，小的程度和弯头夹角及固定墩位移有较大关系。两者的管线如下公式 3 ：.应用上述方法计算固定墩发生微量位移时受到的管道推力较繁琐， 为方便设计人员应用固定墩微量位移法设计固定支墩，文献 4 总结出总推力 P与锚死直管自由端时的推力 Q的比值 i 、位移 A及夹角 的特性曲线图，如图 1-1所示

11、。此图清晰表明： 值越小则 P值越小，而且当 A增加时， P值迅速降低。但 A的增加是有限的，随着 A的增加，土壤逐步达到最大压缩极限，如果 A再增加，则土壤开始破裂，固定支墩受损，或者达到工艺管线承受极限，损坏弯头及设备。因此，土壤许可的固定墩轴向位移是有限的。可由图 1-1用于设计固定墩保护弯头时的推力计算。首先根据管道弯头情况及固定墩埋深情况确定容许的 A值，按照 和 A值可由图表迅速查出 i值，根据 i =P/Q，计算出总推力 P。根据上述公式对直罗 富县输油管线进行复核：由下图可见，当 A=10mm时， i值约为 0.5。即弯头处土壤产生的推理能抵消掉约一半的管线应力。复核结果综上所述，直罗 富县原油管道，如果按锚固死计算，固定墩推理为 30t。管道出土段伸长率为 0.012m。按照位移量 A=10mm计算，管线的实际应力为 5t。同时，弯头处土壤产生的推理能抵消掉约一半的管线应力，约 2.5t。即管道在运行伸长 10mm的情况下，固定墩的推力为 2.5t。此计算结果还忽略了因为管道产生位移，土壤对固定墩迎土面增加了被动土压 Ep 产生的影响。实际值应该比 2.5t更小。据此推