管道跨越结构的分类及选型

管道跨越结构的分类及选型戴家齐摘要管道跨越结构按其受力情况可分为两大类：一类是管道在跨越结构中为受力构件，称之为跨越管段；一类是管道不作为跨越中的受力构件，只是敷设于桥面，称之为管桥。通过对俄、美两国管道规范的研究分析，指出在设计和施工中应尽量避免管道承受外力引起的纵向应力。对悬索跨越管段和斜拉索跨越管段的受力情况进行了分析比较，并指出其适用范围。同时还指出，对大口径高压输油管道宜采用管桥的形式跨越河流。主题词油气管道管道跨越结构应力分析一、管道规范对纵向应力的限制〔1〕虽然管道跨越河流的结构形式有许多种，但是从管道强度角度来考虑，可分为两类：第一类是在跨越结构中把管道作为跨越结构的受力构件；第二类是管道不作为跨越结构的受力构件。“П”形跨越、悬缆式跨越、拱管跨越、以管道为弦杆（桥面）的悬索跨越和以管道为弦杆（桥面）的斜拉索跨越皆属于第一类跨越结构。随桥跨越、提篮半穿式管桥、管子敷设在桥面上的桁架式管桥、悬索管桥和斜拉式管桥跨越则属于第二类。第二类跨越结构的设计思想是尽可能使压力管道不承受除压力载荷以外的外力载荷，尤其是不承受额外的轴向拉力载荷，以使压力管道具备更多的强度储备。不少管道工作者把以管道为桥面的悬索或斜拉索跨越管段和管道敷设在桥面上的悬索管桥或斜拉索管桥都统称为悬索管桥或斜拉索管桥，这样的统称是不科学的。无论是在前苏联文献还是英美文献中均与此相反，可以把两者统称为“架空跨越”，但如提到“管桥”一词，一定是把管子敷设在桥面上的悬索管桥或斜拉索管桥或是桁架式管桥。以管道为桥面的称为悬索跨越管段或斜拉索跨越管段；管道敷设在桥面上的才称为悬索管桥或斜拉索管桥。在内压作用下，压力管道纵向拉应力约为环向拉应力的1／2，所以压力管道纵向尚有强度余量。前苏联规范（СНиП-2．05．06-85）和美国规范（ASME-B31.4及ASME-B31.8）〔1〕都规定除内压应力外允许管道承受一些纵向拉应力或纵向弯曲应力，但纵向许用应力均应加以严格限制。前苏联规范要求纵向内压应力、弯曲应力和其它纵向拉应力之和不应大于按式（1）、式（2）计算的许用应力之中的较小值：（1）（2）式中R1H——材料公称抗拉强度；R2H——材料公称屈服强度；φ——两向应力影响系数，对于纵向拉应力，φ＝1；m——工作条件系数，对跨越河流管段，取m＝0.6；K1，K2——材料可靠性系数，视材料性质不同而在下列范围内取用：K1为1.34～1.55；K2为1.10～1.20；KH——用途可靠性系数，对于大口径高压输气管道，KH为1.05～1.15；对于大口径输油管道，KH为1.00～1.05。将φ、m、K1、K2、KH代入式（1）、式（2），可得到许用纵向应力范围：R1为0.44R1H～0.33R1H；R2为0.545R2H～0.43R2H。前苏联规范要求跨越管段应设计成自由伸缩的管段，又φ＝1.0，所以R1及R2也是跨越管段许用内压环向应力。因为纵向内压应力（σ2）为环向内压应力（σ1）的二分之一，又设σ1＝R1或R2，则。在不增加壁厚条件下，允许承受的外加的纵向应力为：R1－0.5R1＝0.5R1，或者R2－0.5R2＝0.5R2。即：0.5R1取值范围为0.22R1H～0.165R1H；0.5R2取值范围为0.272R2H～0.215R2H。其余量不大。我国在60年代以前参照或沿用前苏联的规范，改革开放以来，我国的油气管道规范参照或等同采用美国ASMEB31．4（输油管道）和ASMEB31．8（输气管道）规范。ASMEB31．4规范中的419．6．4（c）条规定轴向内压应力、弯曲应力和外力造成的轴向持续拉应力之和不应超过0.75Sa(即0.54×SMYS，SMYS——规定的最小屈服强度，下同）。第402．3．1条规定许用环向内压应力S＝0.72×E×SMYS，按API5L管材标准制造的管子E＝1.0，故S＝0.72SMYS。在不增加壁厚的条件下，除纵向内压应力外，最大的允许外加纵向应力（弯曲应力和拉应力之和）不应超过0.18SMYS，余量较前苏联规范更小(假设SMYS＝R2H)。ASMEB31.8输气管道规范中对跨越管段有如下规定：8．34．2条“支座、管吊、地锚宜如此安装，以不影响两地锚之间的管道的自由膨胀和收缩。”8．34．5（a）条“若输送管准备在环向应力小于50％SMYS条件下操作，则支座或锚固件可直接焊在输送管上”。8．34．5（b）条“如输送管操作环向应力大于50％SMYS，则输送管应支撑在一个完全环抱输送管的环形构件上。输送管与环形构件应采用连续焊缝连接，而不用断续焊缝。”以上三条中，第一条要求把跨越管段设计成不受约束的自由伸缩段，任何阻碍热胀冷缩而产生的纵向压应力或拉应力都对管道的强度不利。第二、三条要求设计和施工中重视支座或吊点集中荷载产生的纵向和环向弯曲应力对管道强度的影响，并对高压、高应力管道规定了必须采取的局部补强措施。841．122条的表841．114B中规定，桥上的干线管道设计系数为0.60～0.40，比油管道跨越管段设计系数0.72要低，即可靠性要求高一些。833．4条规定“纵向内压应力、自重及风荷载等引起的纵向应力不应超过0.75SMYS”。但对不包括风荷载（临时载荷）的持续载荷引起的纵向应力的限制没有具体规定。美国ASMEB31压力管道委员会在每一卷B31规范内统一的“引言”中都说明：“如果压力管道规范没有一卷专门适合于一条具体的管道，则使用者可以自行选择认为大体适用的任何卷。考虑到油气管道跨越管段工作条件相似，建议参考ASMEB31.4输油管道规范中的第419．6．4（c）条，对输气管道跨越管段中的纵向应力作如下规定：由内压力、弯曲力矩、重力和其它持续载荷产生的纵向拉应力之和不应大于0.75S范围内（S——允许环向应力）。如上所述，输气管道跨越管段允许环向应力S为（0.6～0.4）SMYS（按管道等级不同分），所以纵向应力不应大于0.45SMYS～0.3SMYS。在不增加壁厚的条件下，除内压纵向应力以外，允许承受的持续纵向应力（弯曲应力和拉应力）为：（0.45－0.5×0.6）SMYS至（0.3－0.5×0.4）SMYS范围内（根据管道等级分），即0.15～0.1SMYS，余量更为有限。美俄两国规范都是以降低使用应力或增大壁厚作为提高压力管道可靠性的主要措施。虽然规范允许压力管道承受少量由外力引起的纵向应力，但总的来说是希望设计和施工尽量避免管道承受外力引起的纵向应力。在相同壁厚和相同等级管材条件下，不承受纵向拉力荷载的压力管道跨越比承受有纵向拉力荷载的管道跨越可靠度要高，尤其是在有硫化氢应力腐蚀开裂风险的场合。二、悬索与斜拉索跨越管段的比较这里讨论的两种跨越形式都是以管道本身作为跨越结构的受力弦杆（桥面），即悬索或拉索直接连接在跨越管段上。好的悬索跨越设计可以使管段中只承受内压应力及滑动吊环支座之间的梁弯曲应力，不承受轴向拉力负荷。设置抗风索的悬索管跨抗风振能力良好。这种悬索跨越目前在世界上使用得比较广泛。在斜拉索跨越管段中，由于拉索是直接拉在管子上的，因此管壁中承受有除内压应力、自重弯曲应力以外，还应承受额外的拉应力。前面已经论及，压力管道允许加额外纵向应力是相当有限的。在一般情况下，为承受斜拉索产生的拉力负荷就需要增加壁厚。例如国内某跨越工程，管径457mm、总长1045m、主跨为500m的斜拉索跨越管段。管道最高输送压力为4.2MPa，使用了API5L管径为451mm，壁厚为15.88mm的管子。如果采用悬索跨越，那么用同样牌号的钢管，壁厚8mm足够〔2〕。斜拉索跨越比悬索跨越多耗费约80t钢管，即为了承受斜拉索的拉力要多耗费一倍重的钢管。换句话说，一座斜拉索跨越管段耗费了可供两座悬索管道跨越使用的管材。多耗用的X60管材，在低应力下去完成拉杆的作用，不能发挥高强度X60钢管具备的强度优势。高强度钢管，尤其是厚壁高强度钢管，一般需要进口，这必然要增加成本。反之，悬索跨越所需的管材及钢索都能立足国内，虽然多耗用一些钢索及水泥（作风索及地锚用），但总的成本不一定比斜拉索跨越高。国外对大跨度悬索跨越报道较多，而管子受巨大轴向力的大跨度斜拉索跨越管段则未见报道。国内斜拉索跨越在四川应用较多，东部地区才开始应用，大多是中小口径（720mm）、低压管道（ρ≤4MPa），并且是一些低应力、壁厚富余量很大的管道。根据以上分析，提出如下建议。（1）对于较高压力下的高强度、高应力的中小口径薄壁管道的大跨度跨越，采用悬索跨越比较安全、可靠和经济。（2）对一些低压的(P＜0.7MPa）、低应力（σ1＜0.2SMYS）的中小口径管道，由于管子规格原因必须选用较大壁厚的管子，因此壁厚有很大富余。如果通过计算，在不增加或少量增加壁厚（2～3mm）、并能限制在薄壁管范围内，而且总的轴向应力（包括斜拉索产生的拉应力）又能限制在管道规范允许的范围内，采用斜拉索跨越管段方案或许是可行而经济的方案。三、大口径高压油气管道宜采用管桥跨越大河一条直径为1m、运行压力10～15MPa左右、内涂环氧树脂减阻膜的现代高压输气管道每小时要输送150×104～450×104m3天然气，如出现事故，其后果和影响远比铁路运输要大，所以设计时要确保其安全可靠运行。管道是连续运输的工具，国际惯例是进口天然气国要保证运输工具（管道及储库终端）的安全连续运行，以便供方按额定的容量和工作日连续输送；如果进口方由于管道设施故障而不能接受额定的天然气量，那么进口方要赔偿供气方的经济损失。提高跨国管道的可靠性是至关重要的，不仅有安全意义，还有极大的经济意义。大型河流跨越管段是管道的薄弱环节，设置专门的桥梁，安全地把管道架送过河是很值得的，也是十分必要的。在管桥中，管子敷设在专用的桥面上，用滑动支座支承，可自由伸缩，调节滑动支座间距可以把支座间的梁弯曲应力减小到规范允许的范围之内而不需增大壁厚。管道不承受其它附加的任何纵向拉力负荷。工人日常维护、检查和维修条件也较好、较方便和较安全，并且能方便地检查到管子的各个部位。至于桥的形式，可以是桁架式桥、悬索桥或是斜拉索桥，这要根据跨越点的地质、气候、风力、通航等自然条件并结合经验综合考虑来选择管桥的类型。在国外管道工业中，悬索管桥用得较为普遍。土库曼斯坦输气管道悬索管桥跨越阿姆河是一个十分成功的例子。该管道直径820mm、壁厚11mm，管桥主跨660m。管子敷设在桁架内，悬索吊在桁架上。悬索、主索、塔架和桁架（桥面）构成悬索桥。该工程1974年建成，至今已安全使用20余年。上海黄浦江和南京、武汉、宜昌的长江上架起了多座斜拉索公路桥。斜拉索桥的设计施工技术已日趋完善，因此也不排除斜拉索管桥将是油气管道跨越大江大河可靠的、可供比选的方案之一。作者单位：中国石油天然气管道勘察设计院戴家齐：管道跨越结构的分类及选型，油气储运，1999，18(5)12～14。参考文献1，СНиП2．05．06-85原苏联大型管线建筑标准与规程。2，中国石油天然气总公司编：原油长输管道工程设计，石油地面工程设计手册（第4册），石油大学出版社（东营），1995年。（收稿日期：1998-08-04）