能源长输管道的锚固与支撑相关因素计算的分析

文杰

（中石化江汉油建工程有限公司 湖北潜江 433123）

一、长输管道锚固与支撑的原因分析

我国是个多山的国家，西北黄土高原等地貌奇特，土质大量流失，滑坡崩塌的现象时常发生，在山区和丘陵地带，管线不可避免的要通过陡坡或斜坡。在这种地形中，由于地面落差大，土壤和岩层的差异也较大，管道容易破坏山坡原始的稳定状态，引起土石下滑，改变原来的流水状态，使雨水烟管道冲刷，造成回填土失稳而严管沟滑动。如果管线不可避免地要通过滑坡区，滑坡未经有效治理可能会影响土石的继续滑动，滑坡特征多种多样，这取决土壤和地下水的条件及地形等因素。破体的滑动会危及群油气输送管线的安全，因此 在都陡坡施工中必须对陡坡管线采取相应的措施，保证管线的安全要求。破体稳定化过程是为了加强管道的用地的稳定性，包括注意弃土的用地和斜坡的平整。

二、影响长输管道锚固与支持的因素：以地质土壤和环境气候特点为主

1.地质土壤特点

一是水土流失面积广（以黄土高原为例）。黄土高原地区几乎到处都存在水土流失，二是侵蚀强度大。三是流失量多。多年平均输入黄河的沙量16 亿t，筑成截面为1m×1m 的土堤，可绕地球赤道27 圈半。水土流失使黄河水平均含沙量高达35kg／m3，是长江的29倍。四是产沙地区、时间集中。黄河泥沙主要来自面积7．89 万km2的多沙粗沙区，这一地区年均输入黄河泥沙14．6 亿t，占黄河总沙量的80%以上。从小流域看，泥沙主要来自于沟道，产沙时间集中产生在汛期。

2.环境、气候因素

（1）90 万年期间黄土高原磁化率变化主要受温度和降水的影响，在一定程度上可用来反映夏季风水热格局的变化。

（2）90 万年期间黄土高原夏季风演化规律：L9 时期黄土高原基本不受季风影响。S5-S8 时期，黄土高原主要受东南季风的影响，前期季风强度变化不大，S5 时期季风变得愈来愈强盛并达到最盛。L4-L2 时期，黄土高原仍以东南季风影响为主，西南季风影响黄土高原西南部地区。在整个末次间冰期旋回（S1-S0），西南和东南季风同时显著影响黄土高原。不同的冰期与间冰期气候带变化幅度十分显著。

三、复杂、恶劣条件的解决措施

对于埋地管道的地表及地下排水是管道设计的主要方面。多数情况下，通过采用一定的排水措施及防腐控制措施，避免管道一定的腐蚀、管道外漏以及坡体的不稳定性。分水台的设计与建设金属石框、沟堵与暗沟为这一目的而建的。

（1）使用分水台地来控制管道用地范围内的地表水是管道行业的标准。分水台地由位与斜坡上的浅的填涂排水组成，之间相隔一定间距，用来收集和导引来自管道用地和管道的地表水流。分水台地 应该以矿质土筑成，尽量减少有机物和雪等混入其中，顶宽和高度在夏季施工应为约0.75 米，冬季施工应约为1 米，以补充融化的沉降。分水台地可用人字形或对角线的形式来建造，可以使水从管道沟处排出，而不会只留在管道占地一侧。

（2）金属石笼是用金笼组成，并装满石块沿着分水台地受到水流的上侧放置。这是一种强有力的冲蚀保护方法。它用于河流、溪流沿岸，来防止坡脚的冲蚀，一般所用的石头太小不能用来防护乱石挡墙时，就可以用金属石笼来护堤岸或分水台地。

（3）暗沟由埋于横穿管道占地的管沟内穿孔的电镀波纹状金属管构成，并由头率高的粒状填充物所覆盖。上半部细密土壤组织地表水通过，在沿坡下有一个堵沟，防止水流到下面管沟。

四、埋地金属的腐蚀方式

电化学腐蚀——金属管道在电解质溶液中由于各部分电位不同，在电子交换过程中作为阳极金属而被腐蚀的一种方式，化学腐蚀——金属直接与化学物质接触而产生腐蚀，微生物腐蚀----直接参与金属管道的微生物主要有自然界硫、铁和氮循环的微生物等。

五、管墩的设计计算

1.设计要求

（1）对于埋地或地面敷设管道的热力计算及其他管线，对于防止管线由于热应力或补偿器的弹性力而产生变形形变，以至损坏与之相关的管件、设备。常用固定管墩（锚固墩）将管线锚固，固定管墩一般由钢支座和混凝土墩两部分构成（如图1）。

图1 固定管座1-管座 2-管墩

混凝土主要靠它与土壤之间的 摩擦力将管线固定，管座是连接管体和管墩并传递管线作用力的构件。

（2）设计管墩管座首先要确定管墩受力，设计混凝土的尺寸大小，选择管座并核算其强度。

（3）架设管线的管架分固定管架和中间管架两种。作用相当与固定管墩；连接管架。

（4）管架的设计是确定管架受力，选择管架结构形式核算强度。

2.管墩的推力计算

（1）埋地管道自由端管墩承受推力

锚固埋地直管段的管墩所受的推力计算：

H— —管墩承受的推力N：；а— —钢材线膨1/℃；Δt— —升温值，℃；FP— —管线截面，m2；Dа— —管线的平均直径，m；P— —管线的设计内压力，pa；ч— —泊松系数

3.管墩尺寸计算

先假设管墩尺寸，再按摩阻条件核算按管墩摩阻核算，合格后再按强度计算进行条件核算，管墩尺寸见图3

图3 管墩尺寸

假设尺寸时，管墩高应小于长和宽，增加其稳定性；推力较大的管墩沿管线轴向为长，几根管线共用的联合管墩管线轴向可能小于横向尺寸。摩阻条件核算或求管墩尺寸相对与土壤阻力满足下列条件；

H——墩推力，N；F——管墩与土壤间的摩擦力,N

Gn——管墩重量,N

Gt— —管墩上埋土总重量,N

a .b.h.h1— —管墩的宽、长、高、管墩顶埋土高，m；f土—的—密管度墩一与般土σ壤n的=24摩00擦；系E1数——0.5被 ～动0土.6压；力σ，n—N —混凝

Ф=土壤内摩擦角,30算例计算2------- 由图3 已知a=50m b=100m h=20m h2=30.5m σt =1.7×103kg/m3由

=2×107N 相关物理量意义如下H------管墩承受的推力N

a=0.005— —钢材线膨,1/℃；Δt=10— —升温值,℃；

FP=0.8— —管线截面,m2；Dа=1000mm— —管线的平均直径，m；

P=1.0×107N— — 管 线 的 设 计 内 压 力,pa；ч=0.1— —泊松系数再由下式

验证 HEF ≥+1再按管墩倾覆校核由nd— —倾覆安全系数一般取1.2

由如下（6-15-20）公式计算地基强度，

（1）管墩倾覆核算

MS— —管墩稳定力矩N.M；h2 ——管墩低面至管线中心的高度m；

nd— —倾覆安全系数一般取1.2

（2）管墩本身的强度计算

K——抗拉安全系数。K=2.8；Ma弯曲力矩 n.m

RL——抗拉强度

（3）钢筋管墩预埋强度计算：

Fa [τ] h3loRO钢筋拉、剪强度，管墩至管线的距离，钢筋至管座的中心距。

六、结论

1.土壤气侯条件决定长输管道锚固与支持方式。

2.金属性能对长输管道长输管道锚固与支持影响。

3.埋地管道腐蚀多样性对锚固与支持结果的影响

4.我国地质条件复杂，长输管道建设面临很大压力。

5.锚固措施要符合核算强度要求。

[1]康 勇.油气管道工程.[M].第一版.北京.中国石化出版社.2008. 80-86

[2]帅 健，于桂杰.管道及储罐强度设计.[M].第一版.石油工业出版社2005.65

[3]李士伦，天然气工程.[M].第一版.石油工业出版社2005.89