长输管道锚固墩的设置

张建宾;孟静

【摘 要】当管道的操作温度与安装温度存在差异时,在管道出入土端、热煨弯管以及管径改变处,会产生轴向力而推挤设备、阀门、弯头等造成破坏,有必要对埋地管道的应变力和锚固墩的推力进行计算,确定锚固墩的尺寸和位置.文中结合实例,对埋地管道进行受力分析,计算埋地管道过渡段长度,确定锚固墩的推力及位置,并提出减小锚固墩尺寸的措施.%When there is a variation between pipeline operation temperature and installation temperature,the axial force will be produced in the coming in and going out end of underground,hot-bending bend and reducing,which will push the connected equipment,valve and

bend,and cause damage.It is necessary to calculate the force of the buried pipe and the thrust of the an-chor and determine the size and position of anchor.Combining with the practical calculation,the buried pipe was force analyzed, the length of the buried pipeline transition section was calculated,and the force and position of the anchor was get.Measures to reduce the size of anchor were proposed. 【期刊名称】《管道技术与设备》 【年(卷),期】2018(000)001 【总页数】3页(P7-8,12)

【关键词】埋地管道;过渡段;锚固墩;推力 【作 者】张建宾;孟静

【作者单位】中石油华东设计院有限公司,山东青岛 266071;中石油华东设计院有限公司,山东青岛 266071 【正文语种】中 文 【中图分类】TE8 0 引言

埋地长输管道绝大部分和土壤之间没有相对位移，相当于被嵌固在土壤中，但是在管道出入土端、管径改变以及管道同清管器收发装置连接处，管道的受力处于一种特殊状态，由于约束条件的差异，使其受力特点与地上管道和受完全约束的埋地管道不同。由于压力和温度的变化，管道在由埋地(完全约束状态)转为地上(无约束状态)时，会有应力和应变产生。因此，对于管道受力特殊的部位，为防止管道变形失稳，需根据计算设置锚固墩，对管道出土前的过渡段施加额外的约束，使这段管道与处于完全约束状态的埋地管道具有基本相同的受力条件。 1 埋地长输管道受力分析

埋地管道上的覆土层会对管道移动产生摩擦力，阻碍管道的移动。图1中，埋地管道B点为完全固定点，A点为入土点。当环境条件改变时，埋地管道受力，管道会向出土方向伸长，对地上设备产生推力甚至破坏地上设备。AB段称为过渡段。 图1 埋地管道出土端纵断面示意图

假设A点为自由点，即完全不受约束，且不受其他外力，B点为固定临界点，则AB段受到的力包括A、B点的轴向应力以及土壤的摩擦力。 B点被完全固定，此处的轴向应变εB为 εB=0 (1)

B点管道的轴向应力有由泊松效应产生的泊松应力和由温度变化引起的轴向应力。由于内压和温度变化产生的轴向应力为[1] σB=αE(t1-t2)+μσh (2)

式中：σB为由于内压和温度变化产生的轴向应力,负值为轴向压应力，正值为轴向拉应力，MPa；E为钢材的弹性模量，可取2.05×105MPa；α为钢材的线膨胀系数，可取1.2×10-5 ℃-1；t1为管道安装闭合时的环境温度，℃；t2为管道内被输送介质的温度，℃；μ为泊松比，宜取0.3。 由内压产生的环向应力为[1] (3)

式中：p为管道的设计内压力,MPa；d为管道的内直径,m；δ为管道壁厚，m； σh为由内压产生的环向应力，MPa。

A点由于完全没有被约束，其轴向应力只是内压产生的环向应力的一半[2]，即： (4)

过渡段AB的力平衡方程为 σBA-σAA-fLTr+F=0 (5)

式中：A为管道有效截面积，m2，A=πdδ； f为埋地管道单位长度的摩擦力，MN/m；LTr为过渡段的长度，m；F为管道弯头处的盲板力，kN。 埋地管道单位长度的摩擦力按式(6)计算[3]： (6)

式中：μf为管道与土壤间的摩擦系数；γso为回填土的容重，kN/m3；D为管道外径(包括绝缘层、保温层等)，m；ka为系数，ka=tan2(45°-φ/2)；φ为土壤内摩擦角，(°)；q为单位长度管道总重力(包括绝缘层、保温层、钢管和钢管内油品)，kN/m；H为管道中心处的埋深，m。 管道弯头处的盲板力为[3] (7)

2 过渡段长度计算

锚固墩的作用在于约束管道的热位移，从而防止热位移推坏弯头及设备。因此，固定管墩的设置位置距离出土端越近，对地上设备的影响越小。但在实际安装过程中，由于固定管墩尺寸较大，有时出土端附近受安装空间或周围环境影响，无法在管道出土端就近安装。此时，应根据现场条件将锚固墩设置在合适的安装位置，但应保证其位于过渡段内。否则，锚固墩将不能起到保护地上设备的作用。 由式(1)～式(7)可知，埋地管道过渡段长度为 (8)

式中Δt=t1-t2。 3 锚固墩推力计算方法

管线锚固墩是用来埋地管线纵向变形的构筑物，一般设置在管线进出土点附近，防止因管线纵向位移过大而造成弯头或弯管变形过大，或者使管线连接设备损坏。锚固墩的尺寸大小，取决于管线在各种工况下给它的最大水平推力的大小。 在不考虑锚固墩位移量时，锚固墩的推力为 (9)

因式(9)中未考虑土壤对管道变形的作用，因而计算值比实际值偏大。实际工程设计时，为减少锚固墩的推力，从而减小其尺寸，降低工程造价，锚固墩的推力通常在计算值的基础上取0.33～0.5的经验设计系数[3]。 4 锚固墩推力计算实例

某埋地原油输送管道直径711 mm，壁厚10.3 mm，管道材质L450M，设计压力7 MPa，管道安装闭合时的环境温度t1为10 ℃，管道内被输送介质的温度t2为40 ℃，在管道的水平和纵向转角处，采用热煨弯头转向，热煨弯头的曲率半径R=6D，土壤为亚黏土。管道中心埋深为2.12 m。

管线的弹性模量，E取205 GPa；钢材的线膨胀系数α取1.2×10-5 ℃-1；泊松比μ取0.3；土壤内摩擦角取10°；土壤容重取18 kN/m3。

将以上参数代入式(8)，经计算，过渡段长度为2.1 m，锚固墩的推力为2.74 MN，经验系数取0.33，固定墩推力为0.904 2 MN。

锚固墩应设置在距离管道出土端2.1 m以内的埋地段，否则锚固墩将失去作用。 由计算结果可知，锚固墩的推力为0.904 2 MN，因而造成锚固墩结构尺寸较大，达到3 m(长)×2.5 m(宽)×3 m(高)。 5 改进措施

传统设计的做法是在管道出土端附近设置一个锚固墩，用来隔离埋地段管道和地面管道，使埋地管道一端的位移不再向站内地上管道段传递，从而保护地面管件和设备。但随着管径的增大，所需的锚固墩推力也增大，如直径711 mm 的管道，锚固墩推力可以达到0.904 2 MN，推力作用到面积很小的锚固法兰上，防腐绝缘层难以承受该应力，往往造成阴极保护电流从锚固法兰漏失[4]；相应的锚固墩的体积达上百m3,

而且管道承受的应力很大，这些均成为设置锚固墩的不利条件[5]。为减少锚固墩尺寸，可在管道过渡段内设置2个热煨弯管，用于吸收管线的位移，减小管线对

地面管件和设备的影响，起到补偿器的作用，减少锚固墩的推力，从而减小锚固墩的尺寸。

经核算，管道过渡段内设置2个热煨弯管后，锚固墩的推力减少为706 kN，固定墩的尺寸也相应减小。

另外，可用采用管道应力分析专用软件CAESAR Ⅱ对埋地段管系进行分析，精确计算锚固墩的推力，减小锚固墩尺寸或取消锚固墩。 参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.输道工程设计规范:GB 50253—2014[S].北京:中国计划出版社，2014:29-30.

[2] 吴武斌.试论埋地管线应力分析及锚固墩推力计算的方法[J].石油化工安全技术，2005(3)：49-52.

[3] 张足斌，王海琴，钱永明.油气管道与储罐设计[M].东营：中国石油大学出版社，2012：117-150.

[4] 李延金，薛道才.油气集输埋地管道锚固墩设计与选用[J].油气田地面工程，2006(11)：38.

[5] 史航，孙学军.管道进出站场段敷设方式的改进[J].石油工程建设，2011(5)：14-15.