大口徑曲線管道在運營階段的溫度應力分析

秋水

1 引言
市政工程、石油工程中經常采用管道來進行水、
天然氣、石油等的輸送。這類管道在運營過程中，由
于氣溫變化或其他原因( 如原油預熱) 等造成管內
流體的溫度變化通常使管壁內產生不可忽視的溫度
應力。對于管道的溫度應力，國外的學者Iimura 和
Nishio［1］進行了試驗研究，結果表明在高溫流體作
用下管壁將產生壓應力，而當管道冷卻后，管壁殘留
可觀的拉應力。Bakic［2］等提出了考慮變溫歷史的
管壁溫度應力計算公式，結果表明變溫歷史造成的
溫度應力影響管道使用壽命。Taler 和Lubecki［3］通
過有限差分法獲得了高溫蒸汽管道內流體和管道的
溫度場分布。國內在較早時候也對該領域進行了研
究，如華東石油學院［4］對埋地重油熱輸管道的溫度
應力進行了現場測試，獲得軸向應力和軸向位移的
分布規律，并提出軸向應力和環向應力的計算公式。
蔡強康，呂英民［5］采用數值方法對埋地熱輸管線的
彎管溫度應力進行了影響參數分析，結果表明彎管
曲率半徑與彎管外徑之比，彎管角度，側向土壓力等
是重要的參數。郭瑞平等［6］對L 形直埋供熱管道
進行數值模擬，得到內力和位移沿管長的分布規律。
已有研究主要集中于管徑為200 ～ 800mm 的小口徑
管道，大口徑管道較少涉及。實際上，大口徑管道在
運營時所承受的溫度應力要比小口徑的大，因此更
有必要對工程中常用的大口徑管道進行溫度應力分
析。另外，實際工程中為避讓障礙物，經常采用曲線
線形進行管道敷設，由于曲率影響，這類曲線形管道
的溫度應力要比直線管道的大。已有研究主要對直
建筑科學第28 卷
線形管道［1-3］或者管道的彎頭段分析［4-6］，而對曲線
形管道甚少涉及。由上可見，目前對于大口徑曲線
形管道的溫度應力分析非常缺乏，工程上幾乎沒有
可供借鑒的例子和建議，有必要進行深入的分析研
究。
本文以青草沙水源地原水工程嚴橋支線工程曲
線段頂管工程為背景，采用數值方法研究了大口徑
曲線管道在運營階段下的溫度應力，并進行了影響
參數分析，分析結果可為類似工程提供建議。
2 工程概況
青草沙水源地原水工程管道采用頂管法施工，
設計輸水規模為719 萬m3 /d。嚴橋支線工程是其
中最大的輸水支線工程，設計規模為440 萬m3 /d，
采用二根內徑為3600mm 的鋼頂管進行頂管施工。
J42B 至J45 井管段為避開障礙物，采用曲線形的管
道，其最小曲率半徑約為880m，弧長約為170m［7］，
該段曲線管道為本文的計算分析對象。
3 有限元分析模型及參數
按照實際尺寸進行建模，管道的中心軸線長度
為170m，曲率半徑為880m，內徑3600mm，壁厚
34mm。采用20 節點的六面體二次實體單元，整個
三維有限元模型包括24480 個單元，122664 個節
點。沿管壁厚度方向布置三個單元。考慮到管道長
度較大，所以其兩端可近似認為沿軸向有固定約束。
有限元模型的總體視圖和局部視圖如圖1，2
所示。
圖1 有限元模型總體視圖
圖2 有限元模型的局部視圖
管道材料是鋼材，采用線彈性模型，密度為
7800kg /m3，線膨脹系數為1. 3 × 10 － 5，彈性模量為
200GPa，泊松比為0. 25。
4 管道溫度應力的參數影響分析
在數值計算中，對如下幾組參數進行參數影響
分析: ( 1) 管道內外壁溫差值5℃，10℃，15℃，20℃
四種情況( 內壁溫度比外壁高) ; ( 2) 管道整體升溫
5℃， 10℃， 15℃， 20℃四種情況; ( 3) 整體升溫20℃
時，管道內徑3600mm 而壁厚采用48、34、24mm 三
種情況，即徑厚比分別為75、105、150; ( 4) 整體升溫
20℃時，管道軸線曲率半徑R 采用800m，880m，
3000m， 5000m 和無窮大( 即直線) 五種情況。
分析的結果包括: ( 1) 彎曲內側的外壁中部應
力σA
( 圖3) ; ( 2) 彎曲內側的內壁中部應力σB
; ( 3)
彎曲外側的內壁中部應力σC
; ( 4) 彎曲外側的外壁
中部應力σD
; ( 5) 彎曲內側的內外壁中部應力差σE
= σB － σA
; ( 6) 彎曲外側的內外壁中部應力差σF =
σC － σD。
圖3 管道示意圖
4. 1 管道內外壁溫差
由圖4 可見，由于曲率存在，彎曲內側的σA
和
σB
均呈中間受壓，兩端部受拉的模式。σA
以受拉
為主，隨溫差的增大，σA
在管道兩端部隨之增大，在
中部基本不變; σB
由于內壁溫度高而以受壓為主，
隨溫差的增大，σB
在管中部增加較快，在兩端增加
較慢。彎曲外側的σC
和σD
均呈中間受拉、兩端部
受壓的模式，都隨著溫差的增大而增大，且由于內壁
溫度較高，σC
以受壓為主，而σD
以受拉為主。由表
1 可見，曲線管道內側和外側的內外壁應力差均隨
著溫差的增大而呈線性增大，且外側的應力差比內
側的應力差略大。
4. 2 管道整體升溫值
由圖5 可見，在整體升溫時，管壁的應力模式與
溫差情況一樣，但應力幅值較大。彎曲內側的σA