5.1 管道强度和稳定性计算

5.1.1  本条对埋地管道强度计算作出规定。

    1  本款中的永久荷载、可变荷载和偶然荷载指以下内容：

    (1)永久荷载包括以下内容：

        1)输送天然气的内压力；

        2)钢管及其附件、绝缘层、保温层、结构附件的自重；

        3)输送管道单位长度内天然气的重量；

        4)横向和竖向的土压力；

        5)管道介质静压力和水浮力；

        6)温度作用载荷以及静止流体由于受热膨胀而增加的压力；

        7)连接构件相对位移而产生的作用力。

    (2)可变荷载包括以下内容：

        1)试压的水重量；

        2)附在管道上的冰雪荷载；

        3)风、波浪、水流、水涌等外部因素产生的冲击力；

        4)车辆荷载及行人重量；

        5)清管荷载；

        6)检修荷载；

        7)施工过程中的各种作用力。

    (3)偶然荷载包括以下内容：

        1)位于地震动峰值加速度大于或等于0.1g地区的管道，由于地震引起的断层位移、砂土液化、山体滑坡等施加在管道上的作用力；

        2)振动和共振所引起的应力；

        3)冻土或膨胀土中的膨胀压力；

        4)沙漠中沙丘移动的影响；

        5)地基沉降附加在管道上的荷载。

    2  本规范规定管壁厚度按第三强度理论计算。强度计算公式仅考虑管子环向应力。当输送介质温差较大时，管道应力将会增大而且是压应力。因此，必须按双向应力状态对组合当量应力进行校核，以保证管道运行安全。

    3  我国制管技术已接近或达到世界先进水平，国内多家制管企业均能按现行国家标准《石油天然气工业  管线输送系统用钢管》GB/T 9711中的PSL2级或《管线钢管规范》API SPEC 5L的PSL2级有关规定制造管材。本规范第11章提出了严格的施工、焊接、检验要求，以确保管道安全运行。故本规范规定，不再考虑由于焊接所降低的钢材设计应力，规定在强度计算中焊缝系数为1.0。

5.1.2  本条对输气管道强度计算作出规定。

    1  采用管材标准规定的最小屈服强度值进行输气管道强度计算为世界各国广泛应用。输气管道采用屈服强度计算法是比较稳妥的。对于管壁厚的计算，世界各国大都采用第三强度理论。本规范规定采用美国国家标准《输气和配气管道系统》ASME B31.8的直管壁厚计算公式，该公式计算简便，在输气管道设计中已广泛应用。

    2、3   当温度变化较大时，埋地受约束直管段应考虑温差产生的轴向应力，并应对环向应力σ_h与轴向应力σ_L形成的组合应力σ_e进行校核，对于管道承受内压和热胀应力的验算有不同的选择，ASME B31.4《液态烃和其他液体管线输送系统》采用第三强度理论，即：

    加拿大、日本采用第四强度理论，即：

    一般来说，第四强度理论较准确地反映弹塑性材料产生破坏的条件，而按第三强度理论验算一般稍偏安全。为与管子壁厚计算一致，本规范推荐采用第三强度理论验算。

    4  本条第四款系采用原华东石油学院蔡强康教授、吕英民教授《埋地热输管线的内力和应力计算》一文提出的弯头强度校核方法。该方法是令由热胀和内压共同引起危险点的计算应力σ_e小于材料的屈服极限σ_s，在满足σ_h＜[σ]的条件下，σe＝σ_h＋σ_max≤σ_s。

    对于热胀弯矩值的计算，可按华东石油学院崔孝秉《埋地长输管道水平弯头的升温载荷近似分析》，蔡强康、吕英民《埋地热输管线的内力和应力计算》，机械系力学教研室《埋地热输管线的强度研究》等有关文献进行计算或采用软件计算。

    5  本款列出的常用钢管的屈服强度值是从现行国家标准《石油天然气工业 管线输送系统用钢管》GB/T 9711中摘录了部分与设计计算有关的数据。

5.1.3  输气管道的最小壁厚，一般认为D/δ＞140时才会在正常的运输、铺设、埋管情况下出现圆截面的失稳，其中，D为管子外径，δ为管子壁厚。根据国外研究表明，D/δ＜140时，正常情况下不会出现刚度问题。本条考虑到：①近年的输气管道工程建设中未发现径厚比大于100的情况；②美国管道安全法规49CFR 192.112钢管利用最大允许操作压力设计要求径厚比不应大于100；③径厚比过大，管子的现场吊装、转运、布管等易发生管子的端口圆度变化，不利于保证施工质量；④在以往建设的输气管道工程中，除站场小口径管道外，壁厚小于4.5mm的情况极少。因此，本规范规定输气管道工程用钢管的最小管壁厚度不应小于4.5mm，钢管外径与壁厚之比不应大于100。

5.1.4  当管道埋设较深或外载荷较大时，需进行管子圆截面失稳校核，钢管的径向稳定本规范推荐采用依阿法(IOWA)公式计算管子变形，变形量不超过管子外径的3％。

5.1.5  无论是根据应变硬化现象还是形变热处理理论及实验，都说明冷加工能提高屈服强度20％～30％，管材钢级不同有一定差别。

    由于变形提高的屈服强度值(也包括其他性能)将随最终回火温度的提高而逐渐消失。一般在300℃～320℃出现一个大的相组织变化，而在480℃～485℃强化的效果将基本消失。因为过高的最终回火温度，或者虽然温度较低(300℃左右)，但过长的保温时间，将使金属晶粒错位结构遭到破坏。

    在本条指出的两个温度及时间条件下，原来符合规定的最小屈服的管子将丧失应变强化性能，即屈服强度降低20％～30％，所以本条规定管子允许承受的最高压力不应超过按式(5.1.2)计算值的75％是合理的。