天然气管道的允许沉降变形量计算上海燃气工程设计研究有限公司

天然气管道的允许沉降变形量计算上海燃气工程设计研究有限公司邮编200070，电话：********-*18手机：*******7102电子邮件）摘要：本文通过对由周边土层不均匀沉降引起的天然气埋地钢管变形进行分析和研究，提出合适的沉降量计算方法和公式，为沉降监测方案的制定提供理论依据。关键词：轴向变形、不均匀沉降、曲率半径、许用应力、沉降监测1、概述造成天然气埋地管道失效的主要原因包括第三方破坏、腐蚀及焊接材料缺陷和地基的不均匀沉降。近年来由于地基的不均匀沉降，国内燃气管道已发生多起泄漏事故。因此对于某些重要管道，有必要计算其允许沉降变形量，并确定合理的沉降监测方案。对于埋地焊接钢管而言，由于钢管具有一定的轴向弯曲能力，且管道接口均采用焊接连接，因此管道具备弹性敷设能力（即不使用弯管，而是利用管道自身的弹性逐渐改变管道的走向），并能适应一定的轴向变形弯曲。通过计算轴向允许弯曲变形的能力，可以确定管道能够承受的沉降偏差最大值。2、计算原理因周边土壤不均匀沉降造成的钢制管道的轴向弯曲变形量，主要体现在管道的竖向曲率半径上。确定钢管允许的竖向曲率半径主要有以下3种方法：方法一：根据钢管许用应力确定曲率半径。

该方法的思路在于模拟埋地管道的工作状态（内压、自重、土壤荷载等）建立模型，利用专业的应力计算软件CAESAR对其进行分析计算，以管道所受应力不超过许用应力为条件进行倒推计算，算出管道能够承受的最小弯曲曲率半径。方法二：根据《输气管道工程设计规范》确定曲率半径。《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003）规定，垂直面弹性敷设管道的曲率半径不得小于钢管外径的1000倍，且应大于管子在自重作用下产生的挠度曲线的曲率半径，其计算公式如下：——管道弹性弯曲曲率半径（m）；D——管道外径（cm）；方法三：参照水平定向钻技术要求确定曲率半径。《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB50423-2007）规定，定向钻管道穿越管段曲率半径不宜小于1500D，且不应小于1200D（D指管道外径）。以上3种方法反映的是不同的工程含义：方法一：该方法体现的是钢管材质的力学性能，反映的是钢管能够承受的曲率半径极限值（最小允许曲率半径）。当曲率半径小于该极限值时，钢管所受应力将大于许用应力，不能确保管道长期安全运方法二是考虑管道连续敷设、支承条件介于简支梁和两端嵌固的中间状态，挠度系数取3/384推导而出，反映的是管道正常开挖施工所允许的曲率半径；方法三是管道处于非开挖施工条件下的要求。

水平定向钻敷设的穿越管段，一般采用弹性曲线敷设，若弹性敷设曲线的曲率半径合适，管段回拖就可能在泥浆中顺利进行，既不会损伤防腐涂层，也能保证管段有足够的强度安全裕量。若曲率半径过小，管道在弹性范围内将产生向上的弹性抗力，在回拖过程中有可能使管身贴着钻孔孔壁，增大管身与管壁摩擦，损伤防腐层。考虑到工程实际情况以及高压天然气输气管道对长期安全运行的要求，建议按方法二计算管道允许变形的最小曲率半径，并按照方法一进行校核计算。3、计算软件介绍计算软件采用美国COADE公司出品的CAESAR应力分析软件，该软件是进行管道应力分析的专用程序，在国内外石油化工、天然气行业内的应用相当广泛，是业内公认的权威计算软件。CAESAR的功能相当齐全，适用于各类架空和埋地管道，可计算管道由内外压、自重、热膨胀、端点位移与外加载荷等因素所产生的应力，可对管道进行静力分析和动力分析，并可按照指定的各种国际通用规范进行计算和应力校核。4、计算过程设定监测长度L，L宜取桩距的整数倍，并相应设置监测点（推荐将监测管道4等分，首、中、尾共设置3处监测点），同时假定监测长度内的管道沉降状态为理想状态（如图5-2-1所示）。

表现的是管道沉降变形的理想状态，管道由原来的直线ABCDE变形为弧线AGHIE，其中弧线AG、GH、HI、IE的曲率半径均为R。最大变形量出现在管道中点，其hmax=2h。AM表示弧线AG弹性敷设的切线长度，设其长度为T。由于实际工程中管道转角较小，其最大值基本不会超过3，因此实际上M点非常接近直线AB的中点，可以近似认为T=L/8。3600max{（此过程宜利用计算机进行计算），并代入以下公式计算管道沉降量：h=R（1-cosmax=2R（1-cos5、计算示例假定一段管道公称直径为DN800，设计压力为PN40，材质为L415，管道强度系数取0.4。设定监测长度为100m，根据上文所提出的计算方法沉降观测规范允许误差，可得出以下结果：T=L/8=12.8mR=5727.4mh=54.5mmmax=109mm即对于单段弹性变形管道（如弧线AFG），其转角0.25、弹性弯曲的曲率半径为5727.4m。对于间隔50m的两个沉降监测点而言，其沉降偏差数值为109mm。对于以上模型，应用CAESAR软件进行应力校核计算，可发现各节点应力情况均在许用应力范围（一次应力）内，最大应力点出现在点，其当量应力值为130.8MPa，小于许用应力值（166MPa）。

6、计算结果根据以上研究分析，本文提出以上文计算的DN800管道为例沉降观测规范允许误差，在需要加强沉降监测的局部管道上，推荐管道沉降监测的布点和报警原则如下表所示：管道沉降监测数据表管道公称直径沉降监测点间距(m)相邻监测点最大允许沉降差值(mm)DN80025507、结论天然气埋地管道的沉降监测应是一个长期过程。对于需要重点监测的局部管道而言，输配管理单位应定期收集各监测点的沉降数据，绘制出管道的实际3D模型，并运用专业的应力分析软件对其进行分析计算，检验其应力分布情况，并做出安全评估。当发现管道局部产生较大的不均匀沉降时，应分析其沉降原因，并采取必要的管基加固措施，阻止不均匀沉降的进一步发展，以保证埋地管道的安全运行。