2010年11月CAESARII高級(jí)培訓(xùn)講義-埋地管道分析(精)

1、CAESAR IICAESAR II埋地管道應(yīng)力分析何耀良北京艾思弗計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)有限責(zé)任公司2010概述z由于埋地管道在石油、天然氣長(zhǎng)距離輸送、城鎮(zhèn)熱電聯(lián)產(chǎn)由于埋地管道在石 油天然氣長(zhǎng)距離輸送城鎮(zhèn)熱電聯(lián)產(chǎn) 區(qū)域供熱領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，出于安全性考慮, 對(duì)埋地管道系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)尤為重要。概述概述z埋地管線實(shí)際上是管道和各種附屬元件整體組合安裝形成的復(fù)雜系統(tǒng)勞.概述設(shè)計(jì)人員對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境土壤特性和地質(zhì)情況的了解程度、所使用的分析假設(shè)，實(shí) 際上決定了計(jì)算結(jié)果是否接近真實(shí)情況。對(duì)地質(zhì)情況不了解，沒有恰當(dāng)考慮熱脹、外載荷、地質(zhì)情解有恰當(dāng)考慮熱外載 荷土壤特性可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題ZZPiPi各種失效概述特殊之處

2、埋地管線與架空管線存在較大差異：z架空管線使用支吊架支撐，導(dǎo)致失效的原因主要為垮塌（架空管線使用支吊 架支撐導(dǎo)致失效的原因主要為垮塌（一次應(yīng)力）及疲勞失效（柔性）；埋地管線則承受連續(xù)土壤摩擦約束作用，特別是長(zhǎng)直管道存在自然錨固現(xiàn)象, 其主要失效形式則是熱態(tài)應(yīng)力引發(fā)的軸向失穩(wěn)及疲勞破壞（柔性）對(duì)熱態(tài)應(yīng)力而言熱態(tài)應(yīng)力是衡量管道軸向抗失穩(wěn)能力的依據(jù)，當(dāng)熱態(tài)應(yīng)力超標(biāo)時(shí)，可能產(chǎn)生兩類失效：z熱拱軸向失穩(wěn)如何分析?為避免事故的發(fā)生， 我們需要對(duì)導(dǎo)致埋地管道失效的各種因素進(jìn)行分析。 主要 分為：1.土壤約束（土壤特性，轉(zhuǎn)為土壤約束模型）2.管道柔性（管道分區(qū)，完全約束和活動(dòng)段）3.計(jì)算方法（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）zzz

3、z土壤約束z主要體現(xiàn)在土壤摩擦力上；土壤的摩擦力是固有特性, 與土壤以及管道表面粗糙度有關(guān)；通常人們將連續(xù)約束簡(jiǎn)化為點(diǎn)約束；z土壤約束但是這個(gè)點(diǎn)約束并非線性的Pi土壤約束實(shí)際的土壤約束曲線為一段圓弧，這增大了模擬計(jì)算的難度，人們通常引入簡(jiǎn) 化算法：zPi土壤約束使用簡(jiǎn)化模型一一土壤約束線性化（部分線性化）z土壤剛度約束簡(jiǎn)化為線性的靜摩擦力及滑動(dòng)摩擦力；臨界點(diǎn)為極限載荷土壤的彈性和塑性轉(zhuǎn)化點(diǎn)臨界點(diǎn)為極限載荷（土壤的彈性和 塑性轉(zhuǎn)化點(diǎn)）；極限載荷出現(xiàn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的土壤變形量稱為屈服位移；可以通過多種 方法來確定極限載荷及其屈服位移，常見的是將按照軸向摩擦力、橫向進(jìn)行區(qū)分。ZZZZ1CAESAR Bas

4、ic Soil Model 1. CAESAR Basic Soil Model zz基于Pengs Theory該方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單.這種土壤模型同樣認(rèn)為埋地管道周圍的土壤發(fā)管道圍的壤發(fā)生彈性塑性變形過程而轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)為程。而轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)為最大土壤約束約束分為分為軸向、橫約束分為分為軸向橫 向,認(rèn)為豎向和橫向一致。z雙線性土壤約束軸向極限載荷的計(jì)算F ax =卩D （2 p s H + np p t/+ np f Dz卩卩為土壤摩擦系數(shù)，參考值如下：9泥沙0.49沙土 0.50.59砂礫0.69粘粘土一一0.7z無排水抗剪強(qiáng)度Su/600psf（自定義摩擦系數(shù)）z p s土壤密度zH地面至管頂

5、的埋深z p p管子密度妙.土壤屈服位移與土壤剛度當(dāng)土壤處于彈性變形階段時(shí)，通過土壤屈服位移及上面得到的極限載荷來求出 土壤剛度。土壤屈服位移Yd=屈服位移系數(shù)X(H+D)，其中屈服位移系數(shù)為用戶定義的 常數(shù)H = 3D,建議默認(rèn)值服位移系數(shù)為用戶定義的常數(shù)(為0.015)于是所劃分的單位長(zhǎng)度管段所承受的軸向土壤約束剛度為：Kax=Fax/Ydzzz橫向極限載荷的計(jì)算F tr =0. 5 p s (H +D tan(t(45+? OCMbz/2為土壤的內(nèi)摩擦角，參考值如下:9沙土 27-459泥沙26-3526359粘土一一0 (如果給定Su，那么tan值替代為Su/250psfS /50p)

6、zOCM為回填夯實(shí)系數(shù)(衡量土壤密實(shí)度，根據(jù)土壤顆粒大小及回填壓實(shí)度, 范圍由1-8變化z回填夯實(shí)度決定了管道擠壓土壤所需要的力的大小z同理同理，當(dāng)?shù)贸隽拔灰坪?，橫向剛度為：當(dāng)?shù)贸隽拔灰坪髾M向剛度為Ktr=Ftr/Yd22Basic Soil Model土壤約束Basic Soil Modelz軸向土壤剛度單獨(dú)考慮，主要是摩擦效果。橫向剛度和垂直剛度一致，主要 是考慮埋深，夯實(shí)效果，土壤摩擦角影響。土壤模型與密實(shí)度的關(guān)系z(mì)人們將各種不同的土壤（S0）進(jìn)行歸類，具有相似特性的土壤指派到同一系列中（SC1SC5），系列編號(hào)按照剛度從大到小排列，這意味著SC1類土壤具有比SC2SC5更大的剛度。

7、通常SC5類土壤極不穩(wěn)定且不適合于回填及做基礎(chǔ)層鋪墊具體見下表礎(chǔ)層鋪墊。具體見下表：土壤模型與密實(shí)度的關(guān)系剛度類型SC1SC2SC3SC4SC5對(duì)應(yīng)管段回填土壤材質(zhì)主要以直徑1厘米以上碎石為主，沙土量少于15%，顆粒土最大5%粗粒狀土壤為主，細(xì)沙粒少于12%粗粒狀土壤，細(xì)沙粒含量 大于12%細(xì)粒狀土壤為主含量大于12%細(xì)粒狀土壤為主，含量大于含水分的細(xì)粒 狀土壤，非可塑性顆粒含量小于30%密實(shí)度不需要進(jìn)行夯實(shí)處理75-85%夯實(shí)85-95%夯實(shí)8595%夯實(shí)85-95%95%夯實(shí)土壤模型與密實(shí)度的關(guān)系不同的夯實(shí)度，在土壤模型中以回填壓實(shí)系數(shù)OCM表征1-1.5無壓實(shí)或完全松軟回填z2-4 75

8、-95%夯實(shí)度5 5大于95%夯實(shí)度5土壤異常堅(jiān)硬（SC1類，見上表）其他土壤參數(shù)zf =摩擦系數(shù)，一般取值（國(guó)際）：0.4淤泥0.5沙土06大顆粒0.6zP土壤密度可從土壤-巖土參數(shù)報(bào)告中獲取H埋深已知或假設(shè)z其他土壤參數(shù)z z Su:含水抗剪強(qiáng)度，這個(gè)數(shù)值與摩擦系數(shù)相關(guān)Mu=Su/600psf（磅每平方英尺）z不同的算法其Su值有所不同，可以通過下圖查看。常用算法：ASCE（較保守守）、Proposed Equation等AECsoft 2010/11/6CAESAR Basic Soil Model土壤摩擦系數(shù) 土壤密度 壤度回填夯實(shí)系數(shù)OCM，決定了管道在橫向的 變形量 管道埋深土壤內(nèi)

9、摩擦角土壤抗剪強(qiáng)度 屈服位移系數(shù)，通常取埋深的1.5%土壤模型的定義AECsoft 2010/11/62 Amercian Lifelines Allianee 2.Amercian z除了CAESAR Basic Modal，American Lifelines Allia nee提供了另一種計(jì)算最大土壤約束的 方法。提供了沙土 和黏土兩個(gè)不同的模 具.型工具這種土壤模型同樣認(rèn)為埋地管道 周圍的土壤發(fā)生 彈性一一塑性變形過程。而轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)為最大土壤約束，約束分為軸向、橫向、豎向。z z z AECsoft 2010/11/6軸向約束力和土壤彈性最大位移z軸向約束：T ?t u (1 + K

10、 0 = n Da c + n DH丫tan S 2 - z最大軸向約束Tu對(duì)應(yīng)的軸向極限位移？ ？ ？ ？=密實(shí)沙土約3mm =松散沙土約5mm =剛性粘土約8mm =軟性粘土約10mm 10此值為估計(jì)值，應(yīng)根據(jù)實(shí)際土壤情況確定AECsoft 2010/11/6軸向約束力和土壤彈性最大位移 其中，c為回填黏聚強(qiáng)度， 通過試驗(yàn)或相關(guān)計(jì) 算公式得到， 其 值在18至140kpa之間變化，0表示砂土；a為附著系數(shù)，與c值 存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，可查ALA附表2得到，或留空由程序計(jì)算；丫為單位體積土壤的有效重量，一般以有效密度輸入；K0為靜止壓力系數(shù)，砂土一般取0.5;S為管道 與土壤接觸面摩擦角=f ff

11、為涂層系數(shù)，取值見下表；為涂層系數(shù) 取值見下表為土壤內(nèi)摩擦角。 為土壤內(nèi)摩擦角AECsoft 2010/11/6,rv ucox VJV UBsrrrr（0lW9l-c.（Ol）KdZ9l o-6I0Z9189OTHoS9-（oi）e$ie r（Oi）SZ3680 0M2IS9SQTHoOTr（0l）6K I-c.（oims060 （T6CV0?cctQTH（ODKZl-OlXKO lcoo-606TOHMm.i /MLLVearnwaruo00P9qX*S d土壤承載能力系數(shù)土壤承載能力系數(shù)Nc、Nq、N丫可通過右圖確定:但實(shí)際上，所有的系數(shù)均不需要輸入，軟件將自動(dòng)根據(jù)已知條件計(jì)算相應(yīng)數(shù)值。

12、計(jì)算相應(yīng)數(shù)值z(mì)zAmercian Lifelines Allianee土壤模型ALA土壤模型中，對(duì)土壤剛度造成影響的參數(shù)有：z土壤干燥密度/有效密度、管道直徑D、埋深H（當(dāng)埋深達(dá)到一定程 度時(shí)將不再作為控制參數(shù)）土壤靜壓系數(shù) 靜kO、土壤附附著系數(shù)a土壤內(nèi)摩擦 角、回填黏聚強(qiáng)度c、涂層系數(shù)f以及各向極限位移控制系數(shù)。 相當(dāng)Basic SoilModel各方向土壤剛度模型分別計(jì)算更為精確、細(xì)致。z AECsoft 2010/11/6抗剪強(qiáng)度的庫侖定律z 1773年庫侖通過實(shí)驗(yàn)確定了無論是在粘土還是砂土條件下，土壤剪切面正應(yīng)力與其抗剪切強(qiáng)度均滿足線性關(guān)系，其圖線如下所示?？辜魪?qiáng)度線與正應(yīng)力（橫軸）

13、的夾角即為 土壤的內(nèi)摩擦角。Tf ?c 2010/11/6 AECsoft土壤的內(nèi)摩擦角土壤的內(nèi)摩擦角在埋地管線中是一個(gè)重要的參數(shù)，其數(shù)值與土壤的彈性極限強(qiáng)度、軸向、橫向、豎向 極限載荷等參數(shù)均有密切關(guān)系，從而影 響了土壤剛度、彈性臂長(zhǎng)、錨固段長(zhǎng)度的計(jì)算，并間接影響埋地管線熱應(yīng)力的計(jì)算。內(nèi)摩擦角是土壤的固有特性，應(yīng)通過當(dāng)?shù)赝寥懒W(xué)試驗(yàn)得到。z AECsoft2010/11/62 Amercian Lifelines Allianee 2.Amercian z砂土 黏土 使用ALA土壤模 型需要 首先選擇 土壤類型。AECsoft 2010/11/62 Amercia n Lifeli nes

14、Allia nee 2.Amercian有效土壤密度。如果土壤含水，其單位體積總重將不同此時(shí)土其單位體積總重將不同，此時(shí)土 壤干密度與有效密度存 在差別。土壤回填黏聚強(qiáng)度。土壤附著系數(shù)a與土壤回填 黏聚強(qiáng)度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。極限位移控制倍數(shù)，限制了 各方向屈服位移的取值范圍AECsoft 2010/11/62 Amercian Lifelines Allianee 2.Amercian涂層系數(shù) 土壤內(nèi)摩擦角度 土壤靜壓系 數(shù)AECsoft 2010/11/6Full Restraint & Restraint管道區(qū)別土壤摩擦力約束住 管道運(yùn)動(dòng)部分 約束管 道，但管道 可以運(yùn)動(dòng)部分AECso

15、ft 2010/11/6管道分區(qū)Zone1:橫向變形區(qū)（通常始發(fā)于彎頭，三 通，出入土點(diǎn)），變形 量達(dá)，土壤約束密集；Zone2：過渡區(qū)，管系 自由端與自然錨固端之 間的直段區(qū) 域，摩擦力 不斷提高；Zone3:自然錨固區(qū)， 此區(qū)域內(nèi)管道軸向變形 被土壤限 制， 轉(zhuǎn)化為載 荷及壓應(yīng)力AECsoft2010/11/6管道的橫向變形z彈性臂長(zhǎng)決定了管道在橫向上的變形能力，相同的管道,彈性臂長(zhǎng)越長(zhǎng)，彎頭所產(chǎn)生的載荷及應(yīng)力越 小,管道的柔性越好。2010/11/6 AECsoft橫向可變形段長(zhǎng)度Lb的計(jì)算z劃分為埋地管道一區(qū)一一橫向變形段。能夠發(fā) 生較大橫向變形，能夠吸收大量管道變形。其長(zhǎng)度可通過下列

16、公式計(jì)算：Lb =0.75 n （4 E I / Ktr1/其中，E為材料的彈性模量，其中為材料的彈性模量I為極慣 性矩，為極慣性矩Ktr為橫 向剛度z z AECsoft 2010/11/6Zone最小錨固段長(zhǎng)度的計(jì)算z管道在錨固部分的長(zhǎng)度則可根據(jù):總主動(dòng)力=總被動(dòng)力”原則求解原則求解;Zone最小錨固段長(zhǎng)度的計(jì)算z總主動(dòng)力=熱脹推力+泊松效應(yīng)+介質(zhì)壓力：zz熱脹推力Thermal load= EThermal load=E a ?t D泊松效應(yīng)t Poisson effect=-v PD 2 n /介質(zhì)壓力Longitudinal pressure load = PD2n / 4Zone最小錨固段長(zhǎng)度的計(jì)算z管道的被動(dòng)阻力則通過管道的被動(dòng)阻