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作
者：
向素平，高明旭，陆景慧，杨永慧，陈功
第一作者单位：
北京市煤气热力工程设计院有限公司
摘自《煤气与热力》2023年5月刊
向素平，高明旭，陆景慧，
等
.
城镇埋地燃气钢管变形量控制值分析
［J］.
煤气与热力，
2023，43（5）
：B27-B30.
1
概述
随着城镇的建设发展，道路桥梁、轨道交通、各类市政管线等新建市政设施在现状城镇埋地燃气钢质管道（本文简称埋地
燃气钢管
）周边施工的情况越来越多。施工引起局部土体位移，可能导致周边埋地燃气钢管产生局部下沉、上拱、侧移等变形，影响管道的安全性。为避免变形过大引起安全事故，应将埋地燃气钢管变形量控制在允许范围之内。
控制埋地
燃气钢管
变形量的实质是控制管道变形应力小于控制值。目前，针对埋地燃气钢管变形应力，还没有明确的校核准则。因此，本文首先给出了埋地燃气钢管应力校核标准，然后通过计算案例给出埋地燃气钢管变形量控制值的确定方法。利用有限元软件计算钢管变形应力，结合应力校核标准，采用试算法得到钢管变形量控制值。
埋地燃气钢管内输送的介质是燃气，根据文献［1］，管道的应力校核准则可参照美国规范ASME 31.8—2018《输气和配气管道系统》（Gas Transmission and Distribution Piping Systems）。对于埋地燃气钢管，温度相对比较稳定，不考虑温度变化引起的热膨胀应力。根据ASME 31.8—2018第833.6条，应力校核准则为：
埋地管道应力计算的主要问题是要准确模拟管道与土壤的相互作用，本文用有限元法进行计算，基于
Winkler
弹性地基梁模型，使用有限元分析软件
ANSYS V21
模拟计算埋地燃气钢管在变形区受重力、土壤荷载等外部荷载而产生的轴向弯曲应力。
GB/T 38942
—
2020
《压力管道规范 公用管道》的附表
B.1
给出常用钢管材料的许用应力。参考
GB/T 38942
—
2020
第
5.2.1.3.2
款，对于焊接管道的许用应力，应计入焊接接头系数，具体参考
GB/T 38942
—
2020
表
9
。
对于城镇燃气管道，焊接接头系数多因管道设计压力和焊接方式不同而不同。考虑到现状城镇燃气管道中有部分管道的使用年限较长，焊接方式、无损检测情况无法追溯，结合工程实际经验，本文对现状燃气管道的焊接接头系数进行分类。
①对于设计压力不大于
1.6 MPa
埋地燃气钢管，按单面对接焊且进行局部无损检测考虑，焊接接头系数取
0.8
。
②对于设计压力大于
1.6 MPa
的埋地燃气钢管，按双面焊且进行
100%
无损检测考虑，焊接接头系数取
1.0
。
在实际工程中，现状埋地燃气钢管的最大工作压力、管道外直径、管道设计壁厚均已知，通过式（
3
）可计算出轴向应力。根据管道材质和设计压力，结合
2.4
节可得到管道的许用应力。
根据
ANSYS V21
软件试算，管道变形量越大，外部荷载在管道中产生的轴向弯曲应力越大。实际工程是根据特定的土壤基床系数计算出埋地钢管的变形量，本文的计算思路是逆向思维。结合式（
2
），假定管道周边土体位移已达到最不利情况，即管道下方土体局部出现空洞，采用试算的方法，调整不同的空洞尺寸，使
ANSYS V21
软件计算出的轴向弯曲应力达到最大允许值，进而，
ANSYS V21
软件计算出相应的管道最大变形量，此变形量即埋地燃气钢管的变形量控制值。
ANSYS V21
软件中管道应力计算采用第三强度理论。
本研究以某市政供热管道用浅埋暗挖隧道下穿埋地燃气钢管为例，建立数值计算模型。根据
CJJ 200
—
2014
《城市供热管网暗挖工程技术规程》第
13.2.2
条条文说明，浅埋暗挖隧道施工对周边环境的影响分区见图
1
，图中Ⅰ区为强烈影响区，Ⅱ区为显著影响区，Ⅲ区为一般影响区，Ⅳ区为原土层。埋地燃气钢管下方暗挖隧道时，由于土方超挖或水土流失，会导致隧道上方土体松散或孔隙水流失，再严重会在隧道上方形成空洞。
图
1
中，宽度
b
取
4.9 m
，高度
h
取
3.5 m
，隧道顶部距离地面
6 m
。燃气管道的中心线距地面
1.5 m
，则
r
1
为
4.5 m
，
r
2
为
1.5 m
。管下土层设定为北京地区常见的粉土，查
CJJ 200
—
2014
表
3.4.1-1
，粉土的计算内摩擦角取
30
°，根据式（
4
），θ为
60
°。计算得出
l
1
为
2.450 m
，
l
2
为
4.619 m
，
l
3
为
3.381 m
。根据工程经验，暗挖影响区范围一般为暗挖深度
r
1
+r
2
的
3
倍，在此范围外的土体不被扰动，则埋地管道处于稳固状态。在计算过程中，确定计算范围时将管道固定点位于稳固状态，本文中
l
4
取
30 m
。
a.
节点
Z
1
和
Z
9
处管道固定，在
x
、
y
、
z
方向上的位移均为
0
。
b.
影响区节点
Z
2
~Z
8
范围内管道，只在
y
方向发生位移。
外直径为
508 mm
，设计壁厚为
7.9 mm
，考虑管道腐蚀情况后，计算壁厚按
6.9 mm
考虑。
燃气管道选用
L245
焊接钢管，钢管标准为
GB/T 9711
—
2017
《石油天然气工业管线输送系统用钢管》。钢管的弹性模量取
2
×
105 MPa
，泊松比取
0.3
。根据本文
2.4
节，钢管许用应力为
138 MPa
，考虑焊接接头系数后的许用应力为
110.4 MPa
。
参考
GB 50332
—
2002
《给水排水工程管道结构设计规范》附录
B
，填埋式土压力系数取
1.2
，土壤密度取
1 800 kg/m
3
，将这
2
个量输入
ANSYS V21
软件即可得出覆土压力。
以粉土为例，根据文献［
2
］，Ⅳ区的基床系数取
30 MPa/m
。结合工程经验，Ⅳ区、Ⅲ区、Ⅱ区和Ⅰ区的基床系数近似成线性递减的关系。对于管道来讲，最不利情况为管道下方出现空洞，受多因素共同影响，空洞尺寸并无规律可循，但可以肯定的有两点：一是空洞范围内的基床系数可以取
0
；二是空洞尺寸越大，管道变形和应力越大。通过不同的空洞尺寸进行试算，可以推导出当轴向弯曲应力达到最大允许值时的管道变形量。
根据式（
3
）可计算出管道因压力引起的轴向应力为
18.41 MPa
。
根据
3.2.3
节中的管道材质和设计压力，结合
2.4
节可得到管道的许用应力为
110.4 MPa
。
根据式（
2
），轴向弯曲应力最大允许值为
91.99 MPa
。
进行
ANSYS V21
软件试算。在Ⅰ区设置空洞，在Ⅰ区对称线两侧均匀分布。Ⅰ区空洞基床系数取
0
，Ⅰ区非空洞区域的基床系数取
6.00 MPa/m
，Ⅱ区的基床系数取
13.65 MPa/m
，Ⅲ区的基床系数取
25.15 MPa/m
，Ⅳ区的基床系数取
30.00 MPa/m
。
针对本文计算案例，当空洞沿管道轴向长度为
2 m
时，管道变形引起的最大轴向弯曲应力为
92 MPa
，近似为轴向弯曲应力最大允许值。
软件计算出管道在此状态下的最大沉降量，即埋地燃气钢管的变形量控制值。
燃气管道沉降后轴向弯曲应力分布见图
2
。图中色标数值单位为
MPa
，为了表述清楚，图
2
中
y
方向显示比例为
50
倍。管道最大轴向弯曲应力点位于Ⅰ区中心点，即节点
Z
5
，轴向弯曲应力为
92 MPa
。
图
2
燃气管道沉降后轴向弯曲应力分布（软件截图）
燃气管道沉降后
y
方向位移分布见图
3
，图中色标数值单位为
mm
，为了表述清楚，图
3
中
y
方向显示比例为
50
倍。管道位移最大点位于Ⅰ区中心
Z
5
点，
y
方向最大沉降量为
15.2 mm
，此值即埋地燃气钢管的变形量控制值。
图
3
燃气管道沉降后
y
方向位移分布（软件截图）
埋地燃气钢管变形量控制值与管材、管径、壁厚、地下施工影响区及土壤的基床系数等因素有关，在实际计算时应结合具体工况参数。
①针对城镇埋地
燃气钢管
，提出管道应力校核准则。
②根据城镇燃气规范体系，埋地燃气钢管应力校核通常按管道的许用应力考虑，管道内压引起的轴向应力和外部荷载引起的轴向弯曲应力之和，应不大于管道许用应力。
③基于应力校核准则，给出埋地燃气钢管变形量控制值的确定方法。利用有限元计算软件，以最大工作压力
1.0 MPa
、
DN 500 mm
的埋地燃气钢管为例，进行变形量控制值计算。
④埋地燃气钢管变形量控制值与管材、管径、壁厚、地下施工影响区及土壤的基床系数等因素有关，在实际计算时应结合具体工况参数。
［
1
］唐永进
.
压力管道应力分析［
M
］
.
北京：中国石化出版社，
2003
：
97.
［
2
］顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，等
.
地基与基础［
M
］
. 3
版．北京：中国建筑工业出版社，
2003
：
395.
1、
城市埋地燃气钢管的应力分析
2、
城镇埋地聚乙烯燃气管道安全埋深分析
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