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1、油气储运 1996 年 价巴冲感 刁气气勺知飞 犷 :。 :二:二. 公 才 以 ,卜 并才 不怜纷怜纷峥纷沙 长输管道焊缝的内应力分析 减 天 红 减铁军 (东北 输油管理局) 减天红减 铁军 : 长 输管道 焊缝 的 内应力分 析 , 油气储运 , 19 96(7)1 5 , 6一8 。 摘要从 钢管壁上任意一点 的环 向应 力入手 , 分析了长输管道 焊缝 的内应力 。 该内应力由环 向应力和轴向应力构成 , 据此推导 出了焊缝处的合 成应力 。 通过直缝与环缝处 的应 力比较 , 得出了 直缝 承受压力最大 、 环缝承受压力最小 、 螺旋焊缝介于二者之间的结论 。 认为管径 和壁 厚在
2、所 受压 力相 同的条 件下 , 若 管道 发 生爆裂 , 其 爆裂起 点一般不会 位于螺旋焊缝 处 , 因而螺旋焊缝 管 的安全 性优于直缝焊接 管 。 计算表明 , 在上述条 件相同的情况下 , 若采用螺旋焊缝管 , 其 管壁厚度可以相 应 减 薄 , 能够 节省投资 , 提高经济效益 。 主题词长 输管道焊缝径向应力轴 向应力分析计算对比 一 、 前 曰分 曰 力P作用时 , 在管壁上主要产生两 种 应 力 , 即环向 应力 。 、 和轴向应力 。 , 如图 l 所示 。 目前 , 长输 管道 主要有 两种 用管 , 即螺旋焊管和 直缝焊管 。 二者形式上的差异在于焊缝 , 螺旋焊 管的
3、 焊缝是一条螺旋线 , 其长度大于钢管周长 ;而 直缝 焊 管的焊缝是一条直线 , 与 钢管周长等长 。 对 长输 管道 而言 , 焊缝是至关重要的 。 本文仅谈谈长输 管道 焊缝 处的 内应力 。 户 一认 击 、 二 、 环向应力和轴向应 力 长输 管道在 输送油气时 , 主 要是承受 动荷 载 , 即 流动压力的作用 。 但在流动压力千变万化的状 态下 分 析长输 管道 焊缝处的应力比较复杂然而 , 钢管在 出厂检验 时要承受静 荷载 , 即静 水压力的作用 。 通常 情况下 , 静水压力要 高于流动 的油压或气压 。 因此 , 在静水压力试验的理想条 件下分析焊 缝处 的 内应力 也能
4、 说明 问题 。 欲分 析长输管道焊缝 处 的 内应 力 . 首先要分析 钢管壁上任一点 的 内应力 。 取直径为D 、 壁厚 为 t 的 L 段 钢管 。 因 长输 管道 用管大多为大 日径钢管 , 其壁 厚相 对于管径 是很小的 , 可忽略不计 。 钢管在受到压 图 1 钢 管的轴 向应 力和环向应力 钢管在压力P作用 下 , 将产生垂直于轴 线上的 力P , , 作用在钢管轴线方 向的 两个表面 F , 上(如图 2所示) 。 因忽 略钢管壁厚的影 响 , 有 : P , 一 P D L : . 2几 F P , 一P D L 得环 向应力 : _ _ P . U 艺 D L 卢 、 _
5、 生些王卫_ 之二卫 Z t LZt (1 ) 同样 , 压力户也产 生沿着钢管 轴线上的力P 二 . 作用在圆形面积 F 二 上 (如 图2所示) , 有 : P 二 一 可4 :D P F 二 一 兀 D t , 1刊0 31 . 辽 宁 省沈阳市皇姑区岐山中路 39号 : 电话 : (024) 6 8 54 78 6 第15卷第 7 期减天 红等 : 长箱管道焊缝的内应力分析 . xa F 二 一P 二 一 1/ 4 t7 D , P 得 轴向应 力 : 。 l丝匹二卫兰2 = F 二 1/4冗 D , P 沉 D t _P D 。、 - 丁- , 尸 、 , 4 . t 百百工工 图
6、2 钢 管 受 力 状况 由式(1) 、 (2 )知道 , 钢 管壁上任一点的环向应 力 是轴向应力的 2 倍 , 即长输 管道焊缝处 环向应 力是 轴向应力 的 2倍 。 三 、 合成应力 研 究焊缝处环向应力 与轴向应 力的目的 , 旨在 找出 长输管道 焊缝处的合 成应力 。 以螺旋焊缝为例 , 在内压P作用 下 的应力 状态 如图 3 所示 。 其 中 , a 为焊缝与 钢管 轴线的夹角(螺 旋焊 管即为成型角) 。 当钢管 截面为单位厚度时 , 在 螺旋焊缝 处存在拉 伸应 力 。 和剪切应力 T , 二 者的 合成应力 为 R , 三者之间 的关系如图 4 所示 。 图 4 拉伸应
7、力 、 剪切 应力和合成应 力 之 间 关 系 剪切应 力 r 的平衡 条 件为 : r B C 口, AB sina 一 口 , AC eosa r =丐 5in a e os a 一几 sin a e osa =(丐 一 a 二 ) sina cosa 。 二 = 1/2 口y . . 。 = 。, (l/2 sinZa + eosZa )(3) r = 1/2丐 5ina eos a (4) 由图 4可知焊缝 处合成应力R一 份 2 +产) 2 / 。 将式(3) 、 式(4 )代人上式 中 , 得 : R=内 (l /4 s in 盛a + e os4a + z/4 sin,ae os
8、a ) /2 =丐(l/4 sin ,a + eos,a ) ,/, (5、 由式( 5)知道 , 当 a 一O 。 (直缝)时 , 焊缝与管道轴 线方向一 致 , 合成应力 R 具有最 大值 , 且等于管道 焊缝处环向应力丐 ; 当 a 一90 “ (两管 对接 形成环缝) 时 , 焊缝与管道轴 线 垂 直 , 合 成应力 R 具有 最 小值 且等于管道 焊缝处环 向应 力 d, 的一 半 ; 当 。 。 a 9 0 “ (螺旋焊缝)时 , 可算出相 应角 度下的合 成应力R 并与 环 向应力相比较 , 数据列于表 1 。 表 1 不同妞旋角 的 合成应力与 两 种焊缝应力 比率 螺旋角合
9、成 应力 R 螺旋 焊缝与直 缝 所受应力比率 备注 o 口, 1 . 0000 直缝 0 011 J1 只 比 JO O曰O O 。 。二 于止并/ / / 一一 夯尸 一 二二 10 20 0 . 8304 图3 内压作用下的应 力状态 在直 角三角形 A BC 中 , 拉 伸应力的 平 衡条件 60 66 0 . 9886a , 0 9 5 57a , 0 . 901 3o y 0 . 8304几 0 7 483口 , 0 6 6 14a y 0 6 116a y 0 . 581 2丐 o 522 3d y 0 . 5 000。 , 748 6 6 1 0 . 6116 0 . 58 1
10、2 娜旋管 成型角 a 的合 适范围 000 nj月 吮 二 口 BC= a 二 A C s in a + , A B e osa 丫A C=BC sina AB= BC e osa 80 90 0 . 522 0 50 00 环缝 . . 口 = 氏 sin Za + 口, eosZa . 8 . 油气储运 19 9 6 年 吕果黄士地区圈皿舫护工睡 杨 承 汉 ( 中国石 油 天然气石 油规划设计总院 ) 杨承 汉 : 吕梁黄土地区管道 防护工 程 , 油气储运 , 1 9 9 6(7)15 , 8一1 0 。 摘要针 对近年 来西部 原油管道和 陕京天然气管道经过 的陇西和吕梁黄土地 带
11、新环境 , 提 出了管道工程的 防护原则 为 : 认清 规律 、 治水为主 、 小区域 综合 治理 、 水工配套设计 、 安全稳定第一 。 为此 , 需建立一个吕梁黄土地区管道防护工程体 系 , 它主要包括 : 稳定性评价及选线 、 重在治水 、 管 道与沟体 加 固 、 沿线外围防护 、 特殊 _工 程做法以及加 强线路管理等 。 对每一项措施 都做了详细的介 绍 。 指 出黄土地区管道工程的中心就 是要解决冲蚀问题 。 强调为确保管道工程的安全与稳定 , 使灾 害 隐患减到 最小程度 , 适当地增加工程量和投资是必要的 。 主题词原油管道天然 气管道防护冲蚀作用 近年 , 西部原油管道和陕
12、京天然 气管 道经过 的 陇西和 吕梁黄土地带 , 都 对 我国管道建设 地 域类型 出现的新环境提 出了新问题 , 这是有 别于平原 管道 、 大山区管道 、 沙漠 管 道以及其他 种 类 管道的一种 新 的管道 类型 , 由此引发出黄土地区管道 防 护工程的 新课 题 。 在这类 地区建设管 道 , 黄 土地区的冲蚀灾害 就成 为管 道工程可靠 性的关 键问题 , 必须十分重视 和认 真研 究 。 四 、 结论 通 过以上分析 , 可得出如下结论 : 1 、 在 管径和壁厚相同的条 件下 , 由于环 向应 力 是存在于钢管 焊 缝处 的最大应 力 , 因在焊 缝处 垂 直 于应力这一方向时
13、 承受着 最 大的载荷 , 所以说 , 直 缝 焊管承受的压力最 大 ;在 两管对 接处 , 即环 形焊缝 合 成应力 具有最小值 , 此处 承受的荷 载最小 , 即所受 压 力最 小 ; 而螺 旋焊管焊缝 处 的合成 应 力介于直缝和 环缝之 间 , 因此 , 螺 旋管所 受 的压力也 就介于直缝 焊 管和两管对 接处之间 的压力 。 2 、 钢 管在承受 内压 作 用 的情况下 , 螺 旋 焊管 焊 缝处合成应 力 是直缝 焊管 焊 缝 处合成应 力 的 6 0% 8 5% 。 因此 , 相 同 的管 径在 同一工作压力下 , 螺旋 焊管的壁厚可比直 缝焊 管薄一 些(相 同材质) 。 如
14、螺 旋焊管的螺旋角 (成型角)为4。 。 时 , 其焊 缝 承 受的 压力仅为直缝 的8 3 . 0 4 % 。 若直缝 焊管的壁厚 为 1 2 m m 、 则相应螺旋 焊管壁厚 为 1 2X 0 . 8 304=9 . 9 648 、 10(mm ) 。 对于一条 直 径为 508m m 的长 输管 道 (螺旋 焊管相应为必529mm) , 管壁减 薄了2m m , 则 10 0km长输管 道能 节约钢 材1 8“ t , 可节约大量的 投 资 。 3 、 在 管径和壁 厚 及所 受 压力相同的条 件下 , 当 长 输管 道发生爆破时 , 爆 破起 点 一 般不会 位于螺旋 焊缝 处 , 其
15、安全性 要优于直 缝 。 另外 , 当螺旋 焊缝 附 近存在 与 之相 平行 的缺陷时 , 因螺旋焊 缝处 受 力 较 小 , 故其 扩展的危险 性也相应较 小 。 对 直缝 而言 , 此 种 缺陷极 易造 成爆破 或撕 裂而导致管道 泄 漏 。 (收稿日期 : 1 9 96 一01一09 ) 绷辑 : 刘春阳 ( , 10 0 08 8 , 北京市学 院路药门里北 4一4一301号,电话 : (010)202 1 9 5 9 第 15 卷第 7 期油气储运 作者介绍 孔 庆妨 减 天红 杨 承汉 黄志 冯伟 章 唐江华 刘焕桥 黄大 方 轩懊文 江超 冯海东 范继义 张怀国 李兆明 王跃 坤
16、 李建 树 工 程师 , 194 8 年1 0月生 , 1 97 4年毕业于石油大学(东营) 。 现任山东输油二处安全科科长 。 助理馆员 , 1968年3月生 , 199 0 年毕业于石 油天然气管道局职工 学 院 。 现 在东北轴油局从事 科 技 档案管 理工作 。 教 授级高级工程师 , 193 0年 n月生 , 1956年毕业于北京 石油学院石油储运专业 。 1 99 0 年退 休 于石油 规划设计总院 。 现从事成品油管道的规划 与设 计工作 , 并任总工程 师 。 本刊编 委 。 助理工程师 , 1 9 6 9年生 , 199 2年 毕业于 石油大学(东营)应 用化学专业 。 现在 长庆油田从事防腐 设 计及 研究工作 。 助理工程师 , 1 96 2年生 . 1邓1 年毕业于石油天然气 管道