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埋地钢管的应力作用

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摘要:

鉴于给水工程中主输水管线大多采用中等口径及以上埋地钢管,本文通过对埋地钢管施工、使用过程中外界荷载、作用效应对其产生的不利影响,根据现行规范并结合现有管道病害调查分析的结果,对管道主要病害应力进行分析,并给出具体的预防措施及处理建议。

关键词:

温度应力;焊接应力;一次应力;二次应力

1前言

城市供水管道是给水系统的重要组成部分,管道工作的可靠性与否又是城市供水的关键所在。因此,作为城市命脉的供水管道的设计、使用和维护,均应该引起我们的足够重视。供水管道的使用与管理维修是相当复杂而艰巨的任务,由于各种原因造成管道经常被破坏。管道损坏的探测手段尚不完善,技术落后,加之供水管大多埋设在道路下,挖方修补困难。管道破坏漏水,不仅浪费资源,而且威胁城市建筑设施、影响交通,给生活带来诸多不便。因此调查、分析管道破坏原因,采取合理的预防措施,降低管道损坏的机率具有十分必要的现实意义。

2现行规范对埋地钢管结构上荷载作用的考虑

钢管管道结构上的作用分为永久作用和可变作用两类[1]:(1)永久作用应包括管道结构自重、竖向土压力、管道内水重和地基的不均匀沉降。(2)可变作用应包括管道内的设计内水压力、管道真空压力、地面堆积荷载、地面车辆荷载、地下水浮力以及温度变化作用。钢管管道结构设计时,对不同性质的作用应采用不同的代表值,作用的标准值为作用的基本代表值。对永久作用,应采用标准值作为代表值。对可变作用,应根据设计要求采用标准值、组合值或准永久值作为代表值。作用的组合值或准永久值,应为作用的标准值乘以作用的组合值系数或准永久值系数。钢管管道结构设计按照下列两种极限状态进行设计[2]。

2.1承载能力极限状态按承载能力极限状态计算时,各种作用组合的工况应按照文献[2]表526规定采用。钢管管道结构按承载能力极限状态进行强度计算时,采用作用效应的基本组合,结构上的各种作用均应采用作用的设计值,作用设计值应为作用分项系数与作用代表值的乘积。作用效应的基本组合设计值按文献[2]523确定。对管壁截面进行稳定性验算时,各种作用均应采用标准值。应满足文献[2]621要求。对埋置在地下水水位以下的钢管道,应根据最高地下水水位和管道覆土条件验算抗浮稳定性,验算时各种作用采用标准值。应满足文献[2]623要求。对焊接连接的管道,计算管壁截面强度时,除应计算在组合作用下的环向内力外,尚应计算管壁的纵向内力,并核算环向与纵向内力作用下的组合折算应力。管壁截面由环向应力和纵向应力作用下的组合折算应力,应满足文献[2]612、613、614要求。文献[2]中管道强度计算时考虑了温度作用,并纳入管道结构计算。其主要表现为钢管管壁的纵向应力,其影响集中体现在钢管管道的闭合温差ΔT上。按文献[2]435条,温度作用标准值可按管道闭合温差±25℃计算。其中又分为闭合温差为升温时与降温时对管道的纵向应力进行分别计算。

2.2正常使用极限状态钢管管道按正常使用极限状态进行验算时,各种作用效应均应采用作用代表值计算。其作用效应组合设计值应满足文献[2]532的要求。

3钢管输水管线所受应力分类

虽然在管道设计的相关规范、标准中没有明确给出应力分类的定义,但根据产生应力的荷载不同,可将其划分为一次应力和二次应力两大类[3]。管道强度破坏主要是由一次应力引起的断裂破坏和由二次应力引起的疲劳断裂破坏。一次应力是由压力、重力、冲击荷载、其他外力荷载等机械外荷载引起的正应力和剪切应力,它是平衡外力荷载所需要的应力。一次应力是非自限性的,它始终随着所加载荷的增加而增加,超过材料的屈服极限或者持久强度时,将使管道发生塑性破坏或总体变形。因此,在管道的应力分析中,首先应使一次应力满足允许应力值。管道的二次应力通常是由于热胀冷缩、附加位移、安装误差、振动荷载等位移载荷引起的,是由于管道的变形受到约束所产生的正应力和剪应力。它本身不直接与外力平衡。而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。其特点是具有自限性,即局部屈服或小量塑性变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足,通过自身的变形协调就能使应力降低。一般来讲,对于塑性良好的钢管,只要不反复加载,二次应力不会导致管道的破坏。也就是说,二次应力引起的主要是疲劳破坏。由一次应力和二次应力的荷载类型和受力特点可知,由于一次应力没有自限性,所以它比二次应力更危险,应该受到更加严格的限制。基于目前给排水管道工程结构设计原则,对于普通金属管线仅需要考虑环向应力、纵向应力及组合折算应力影响,即上述管道应力分析中的一次应力作用。对于管道的热膨胀、安装阶段的附加位移应力及焊缝焊接的残余应力等二次应力均未纳入结构计算范畴,其应力的影响范围及量化亦比较困难。

4结合调查情况对现有埋地钢管病害进行分析

通过对管线使用及维护部门的走访及调查,众多钢管管线漏损及病害主要分为以下几种类型:(1)管材本身质量问题。管材细微裂缝施工时未能及时发现,运行时经水压等作用致使微小裂纹逐步扩大而破裂;(2)钢管现场对接焊缝的裂开、断裂及变形破坏;(3)阀门及管件处安装误差,导致出现预拉应力叠加焊缝病害,造成管件或者阀门破坏。其中焊缝病害问题占绝大多数。

4.1施工问题施工质量问题主要表现为:选用了有缺陷的管材、管道基础不好、周围回填土不密实或存在大块硬物、焊缝质量差、阀门及管件安装误差、管道防腐层没有按照标准和要求做等。由于土质和地基处理的差异,会使整个管道的沉降不均匀,当产生不均匀沉降时,由于管道刚度很强,管道像一根相当长跨度的承重梁,在周围及上部荷载作用下产生附件纵向应力,在支撑处产生向上的变形。当存在下述地层土质差或受到不均匀扰动而引起径向位移时,会使管道发生破坏。比如:(1)管线周围施工的影响,管道局部压有重物堆土等,使得管道处于下沉或侧滚状态。(2)管线路径上局部出现弱土层、或管线路径上出现长距离弱土层,施工过程中采用局部刚性基础处理等造成不均匀沉降。(3)管周回填土未经夯实或回填不均匀,造成侧向位移。(4)管下有大块石、硬物等临时支撑,使管道沉降不均并发生局部应力集中现象。

4.2腐蚀问题埋置于地下的管道会受到内外腐蚀作用。外腐蚀主要是土壤腐蚀,一旦管道防腐层施工质量差,则会导致局部防腐层破坏;内腐蚀则主要是由电化学腐蚀和化学腐蚀,会导致管道内防腐涂层脱落。管道受到腐蚀后会使管壁变薄,引起局部承载能力降低,当作用应力超过承载能力时,管道就会破坏,严重时则发生爆管。

4.3内外荷载长距离的输水管道总体水压越来越高,其中局部区域水压存在过高现象,水压高、对管道的强度要求也会相应提高,管道的事故频率也会随之增加。如果管道埋管过浅、路基或路面质量不好、车辆过重等因素,会使管道承受的动荷载增加。随着城市交通运输业的不断发展,车辆吨位增大,运输频率不断增加,致使管道的动荷载明显增大;同时在城市基础设施建设中,由于各类管道的更新改造和建设,形成管道之间原有外力荷载的改变,都是诱发管道破坏的因素。

4.4水锤作用由于水泵机组突然开启或停止,闸门关闭过快等外界因素致使管道中水流状态突然变化,可能引起管道内水压力剧烈波动的水锤作用。水锤可能引起很高的压力,扬程越高,管道越长,在停泵、关闭阀门时越快,水锤引起的压力增值就越大,它可使管道在薄弱处爆裂。

4.5小结焊接连接的输水钢管管道是刚性结构,不能释放不均匀沉降、气温变化等因素产生的纵向力,从材料力学中弯矩同梁的跨度平方成正比的基本概念可知,焊缝连接将使管线遇到纵向问题的可能性大大增加,焊缝常被拉开,导致管道发生爆裂事故。输水管道强度设计通常采用环向应力控制,然而管道通常不会因环向应力出现问题,管线出现事故大部分是纵向问题,基本上是由在管道局部形成异常的应力造成的。据统计输水钢管管线发生事故90%以上是由于管基的不均匀沉降、气温变化等原因产生的纵向应力在有隐患的沟槽焊缝及焊缝质量差处形成超常规的集中应力引起的。

5对一次应力及二次应力控制的建议

管道破坏主要是由一次应力引起的断裂破坏和由二次应力引起的疲劳断裂破坏。因此,在满足设计条件下,控制钢管在施工及后期使用过程中的应力作用尤其重要。

5.1输水管线中的对一次应力控制现阶段管线结构设计中通过控制的管道壁厚、埋深、回填压实要求、管材强度、工作压力、焊缝强度等参数,保证管道在使用过程中不出现塑性变形。即通过计算保证钢管一次应力满足管材允许应力值。

5.2输水管线中可能出现的二次应力控制根据管线施工及后期使用过程,可能出现的主要二次应力包括:(1)焊缝施工时的残余应力;(2)管件及阀门等沿线构筑物安装时产生的附加位移应力;(3)输送流体常年的温度变化应力的线膨胀;(4)管道内水流交变的压力变化(水锤作用);(5)后期管道沉降不均匀引起的附加应力、局部堆载过大等。在以上二次应力影响中焊缝的残余应力对管线影响最大。外载产生的应力值与焊接残余应力叠加后,很容易在结构的某区域产生局部塑性变形,使焊缝丧失进一步承受外载的能力,从而造成焊缝的断裂。为了消减焊缝残余应力,首先在管材的验收选用方面,应保证管节的材料、规格、压力等级等应符合设计要求;管节表面应无斑疤、裂纹、严重锈蚀等缺陷。其次,在焊缝施工过程中应根据铺设、施工方式,按照焊工手册要求选用合理的施焊顺序及焊接方法,选取变形较小的焊接材料、采取有效的措施消减削弱焊缝的残余应力。为消除水锤对管道的破坏作用,可以采用减小水锤冲击力,防止水柱拉断、水柱弥合现象的发生,来改善管道的受力状况[4]。可采取如下措施:加大管径减小流速;缓慢开关闸阀;取消止回阀和底阀;安装停泵水锤消除器装置;选用微阻缓闭止回阀;在高处及积气处设置高速进排气阀;管道上设置泄压井等措施。对于管道的施工验收,对选材、施工措施、焊缝的外观及检测、焊接质量的检测、管槽的回填、管件及附属构件的安装等均应严格按照《给水排水管道工程施工及验收规范》中的要求执行,以保证管线的施工质量。

6结论及建议

目前国内采用的管道设计理论和计算方式,是按照预期的管道壁厚值,将内压同外压按照一定的荷载规则组合,用规范规定的验算公式,来复核管道的应力是否满足要求,然后再做变形控制及稳定性校核等。管线的结构设计中对一次应力通过静力计算已经进行了有效的控制。对于设计人员而言,如若管道位于不均匀的管基上,应值得重视。对于长距离的输水管线,所处的施工及边界条件复杂,二次应力需进行系统和综合长期考虑,现有的计算手段很难对其进行量化。可参考石油化工行业管线的计算经验,借助专业管道应力分析软件对整条管线模拟施工及运行条件进行综合分析。

参考文献

[1]给水排水工程管道结构设计规范GB50332-2002.北京.中国建筑工业出版社,2002.

[2]给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程CECS141-2002.北京.中国建筑工业出版社,2002.

[3]唐永进编著.压力管道应力分析(第二版).北京:中国石化出版社,2009.

[4]金锥等.停泵水锤及其防护[M].北京.中国建筑工业出版社,2004

作者:张桦 单位:中国市政工程西南设计研究总院有限公司

 

埋地钢管的应力作用责任编辑:杨雪    阅读:人次
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