我国输水钢管同国外的差距及展望(二)美国输水钢管的管厚设计.doc

我国输水钢管同国外的差距及展望(二）美国输水钢管的管厚设计 我国输水钢管同国外的差距及展望? ? （二）美国输水钢管的管厚设计? ???沈之基? ? 摘要：在同样工况条件下，美国设计的管厚只是中国的二分之一到三分之二，如此经济的设计，其安全可靠性得到大量的工程实践证明，这是美国几十年工作的积淀；应加强对美国钢管过去和今天的调查研究，为我所用。? ? 1．美国的管厚设计——按内压计算? ? 美国输水钢管的设计理是完全彻底的柔性管理念, 其设计方法非常简洁,按内压决定管厚,然后以该管厚校核外压真空条件下的稳定并校核回填后管的变形. 现今国内外所有的玻璃钢管设计也都是采用这样的模式的。这里摘录美国一个钢管公司的设计手册（1）中的所述,以作为美国现在输水钢管设计思想的代表, 该公司自称是行业领头羊.? ? 1.1 概述? ? 钢水管必须设计得能胜任服务条件, 要符合这个要求, 那重要的一项就是在水量、线路决定之后, 进行专门的管厚设计; 管厚设计的第一步也是最关键的一步是由内水压来决定管厚;一旦管厚决定,再对外压负载和真空状态作校核,回填造成的变形也需校核,需要时可通过提高综合壁厚或回填质量来调整结果.? ? 设计内水压决定于静水头和因泵、阀引起的水击,管壁应力(环向应力)由Barlow公式计算.? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （公式1）? ? 式中:? ?s? ? 容许设计应力??psi (磅/平方英寸)? ???p? ? 内水压? ?? ???psi (磅/平方英寸)? ? t? ? 管壁厚度? ?? ?in(英寸) ? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?d? ? 管外径? ?? ???in(英寸)? ???对通常工作压力或静水头,设计应力控制在材料屈服强度的50%;对运行负载,如水击状况等,则设计应力控制在材料屈服强度的75%.??输水钢管所用钢板的屈服强度30000~50000psi(约为205~345Mpa). 高强度的钢板费用较高,在管线设计压力超过150 psi(约为1.0Mpa)时应于考虑，对于低压管线好处极微.? ? 管线在经受真空条件时,要求管厚设计得能抵抗塌陷而稳定,塌陷压力按Stewart公式计算; ? ? 钢管的外压承受能力是受管壁刚性以及管外回填土的被动抗力影响的.预计的管变形可由Spangler公式计算。 ? ? 1．2设计例? ? 设计一条公称内径48英寸的管线,其工作压力为200psi(约1.4Mpa) , 水击压80 psi(约0.56Mpa ),管线现场试验压力250 psi(约1.75Mpa );管线的复土高为5~10英尺(约1.5~3.0米);管区内的土层是由较少或不含细料的颗粒料组成, 压缩到标准葡氏90%;防腐措施内防腐是在工厂内涂衬水泥砂浆,外防腐是包扎防腐带.? ? 内压设计??钢板采用屈服强度为42000psi高强度钢板, 设计容许应力s为屈服强度50%时是21000psi , 设计容许应力s为屈服强度75%时是31500psi ; 按Barlow公式t =pd/2s计算如下: ? ? a.? ? ? ? 工作压力状况? ?? ?t=200(49.5)/ 2(21000)=0.236英寸? ? b.? ? ? ? 水击压状况? ?? ???t=(200+80)(49.5)/ 2(31500)=0.220英寸? ? c.? ? ? ? 现场试验压力状况??t=250(49.5)/ 2(31500)=0.196英寸? ?? ? 设计工程师必须采用其中最大者, 本例中为工作压力状况, 0.236英寸(约6毫米). 对这个壁厚，应再对真空状态的稳定及回填造成的变形作校核, 本例校核结果都通过，表明采用这个壁厚是可以的。? ? 这里还要指出的是，采用这个壁厚，如用中国的埋地钢管管道结构设计规程（2）规定和公式作稳定和变形校核，同样是可通过的。又，如钢板采用屈服强度为36000psi普通钢板，那计算得到的管厚是0.275英寸（约7毫米）。? ? 2．中国的管厚设计——内外压叠加后计算? ? 给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程，将钢管也看作柔性管，对钢管极限状态计算提出强度计算、稳定验算、刚度验算三项计算，同美国的框架相似；但在决定管厚的最重要的一项，即强度计算上，采用的理念和方法，有较大的差别。下面是该项计算的主要公式。? ?? ?? ?? ???(公式2)? ?? ?? ?? ???(公式3)? ?? ?? ? (公式4)? ? ? ? 式中? ?σθ 、N 、M? ? 分别为管截面上的最大环向应力、最大环向轴力设计值、最大环向弯距设计值。? ? bo、to、 ro 、D1? ? 分