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穿越河流管道悬跨安全长度判定

文档作者：李亮亮朱洁韩冰文档来源： 1．中国石油管道公司a．管道科技研究中心；b．管道工程第二项目经理部 2．中煤地质工程总公司		点击数：	更新时间： 2021年07月17日
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第3 1卷第2期
2 0 1 4年2月
长 江科学 院 院报
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
Vo1．31 No．2
Feb． 2 0 1 4
DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2014．02．018 2014，31(02)：86—90
穿越河流管道悬跨安全长度判定
李亮亮h，朱洁 ，韩冰
(1．中国石油管道公司a．管道科技研究中心；b．管道工程第二项目经理部，河北廊坊065000；
2．中煤地质工程总公司，北京100073)
摘要：采用大开挖直埋方式穿越河流的输油气管道易产生与河床面不发生直接接触的悬空段。为确定管道悬跨
安全长度判定条件，对悬跨管道产生损毁的原因进行阐述，并分别从振动、疲劳和屈服破坏等方面对悬跨管道的损
毁机理进行分析，借助分析工具对悬跨管道进行绕流、振动、静力和疲劳分析。根据分析成果，提出了穿越河流管
道悬跨安全长度的判定条件：悬跨段不发生振动破坏、不发生疲劳破坏且不发生屈服破坏。最后，辅以实例进行计
算，以供管道建设及防护参考。
关键词：油气管道；悬跨；水流冲击；安全长度
中图分类号：TE832；TE88 文献标志码：A 文章编号：1001—5485(2014)02—0086—05
进入2l世纪以来，我国长距离输送油气管道得
到了快速的发展，如今跨区域、全国性的油气管网格
局已逐步形成。长输管道不可避免要穿越河流沟
谷⋯ ，而大开挖直埋方式是管道穿越河流沟谷最常
见的敷设方式，因此，河沟水流的冲击作用造成的管
道危害较为普遍。悬跨危害发生机率虽较小，但因
其致灾后果严重，形成及致灾机理复杂，逐渐受到越
来越多的重视。
1 管道悬跨现象的产生
悬跨是指采用大开挖直埋方式穿越河流的输油
气管道与河床表面不发生直接接触的悬空段。其形
成原因主要有以下几种：
(1)管道穿越处河床受到洪水的强烈冲刷与下
切作用，导致管道悬跨(图1)；
(2)管道在铺设和运输过程中，由于残余应力
或油气传输时的热应力变化，使得管道局部位置发
生屈曲，可能导致管道出现悬跨；
(3)管道附近有采砂等人工活动，随着砂坑规
模的扩大，砂坑边缘逐渐发展到管道穿越处，造成管
道悬空(图2)；
(4)其他原因造成管道出现悬跨。
2 悬跨致灾机理及判定条件
悬跨现象的出现和存在对整个管道的安全性和
28
24
{ 20
器16
羹12
8
4
图1 西南某输油管道出现悬跨现象
Fig．1 Suspended span of all oil pipeline
in Southwest China
r游水流方向 下游
管道、 一 砂坑
ll ≯l - -l
0 00 — 0 ■ ’■ 十一 曩0 曩
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 c
， 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o f 0 口 0 0 口 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 ⋯ ⋯ 0 0 c
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (
， 口 0 0 0 o 0 0 0 D 0 ～ 0 0 D 0 D 0 0
0 0 0 o o o 0 0 0 0 fc 0 0 0 0 0 0 0 (
0 D 0 0 0 D 0 0 D D TD 0 0 0 0 0 0 0 c
’ 0 0 D ‘ 0 0 0
采砂坑不断扩大
I I 1
0 8 16 24 32 40 48 56
水平距离／m
图2 采砂坑造成管道悬跨裸露示意图
Fig．2 Schematic diagram of exposed suspended span
caused by dredging activities
完整性有着重要的影响。悬跨的出现改变了管道的
受力状态：易发生因管后涡旋泄放而引起的管道共
振破坏，因管道绕流产生周期性升力作用而引起的
收稿日期：2013—02—22：修回日期：2013-04—19
作者简介：李亮亮(1986一)，男，山东枣庄人，工程师，硕士，主要从事油气管道地质灾害防护技术研究，(电话)0316—2072313(电子信箱)kjlill
@ petrochina．com．cn。
第2期 李亮亮等 穿越河流管道悬跨安全长度判定 87
管道疲劳破坏，因受自重、内压、浮力及绕流阻力等
静载作用而引起的管道屈服破坏。导致穿越河流管
道出现悬跨现象的原因多样，因此，其所呈现的结构
形式往往也各式各样。研究穿越河流管道悬跨问题
具有一定的特殊性与复杂性，这也足以说明了深入
研究该问题的必要性。
2．1 振动破坏
当稳恒水流横向流经管道时，在管道背水侧将
出现涡旋泄放现象。如果涡旋泄放频率与悬空管道
的自振频率相同、相近或在某一特定范围内时，将导
致悬空管道横向和顺向的振动，引起“锁频现象”。
余建星等 对“锁频现象”进行了定义，即当结构的
固有频率与涡旋泄放频率接近时，管跨的振动相应
出现大振幅，其振幅足以控制涡旋泄放过程时发生
的管跨与流体之间这一复杂的相互作用过程。该现
象是河流底部悬跨管—二== 三=== ～
发管道发攀生 振动的一水 —===／
xu琴等 研究了涡激振 水 一 ◎ l ，． ．
动对管道的影响。图3 图3 管道涡流引起
壁管 道振荡示意图起的 锄
。 ortex．induced 0n
2．2 疲劳破坏
管道悬跨段暴露于水流中，阻碍了水流的正常流
通，便产生了因绕流而施加于管道上的绕流阻力和绕
流升力：绕流阻力，其方向不变，大小呈周期性变化，
但变化范围较小，可认为是静载；绕流升力，其方向及
大小均呈周期性变化，是典型的周期性交变荷载，是
引起管道疲劳破坏的主因。在绕流升力的反复作用
下，管道部件交变应力有可能在尚未达到用于静强度
设计的许用应力大小时就会在局部位置产生疲劳裂
纹，该裂纹会逐渐扩展直至发生突然断裂，将这种现
象称为管体的疲劳破坏。因疲劳裂纹形成和扩展具
有极大的隐蔽l生，加之疲劳断裂时又具有明显的瞬发
性，因此管体疲劳破坏往往会造成较严重的后果。
采用S·N(relation between the stress amplitude
and number of repetition)曲线(应力一寿命曲线)来
表示载荷与疲劳失效的关系：一般情况下，金属构件
所承受的循环载荷的应力幅值or 越小，到发生疲劳
破坏时所经历的应力循环次数就越长。图4所示的
管材S-N曲线纵坐标表示管材承受的交变应力；横
坐标表示管材在某一应力幅水平下发生疲劳破坏所
经历的应力循环次数。
可以这样认为，在给定的应力循环次数下，管材
的应力幅值一旦超过
该循环次数所对应的
交变荷载值，那么就意 2．0
味着该管材的疲劳破
坏。 。·
2．3 屈服破坏
悬空管道所受载
荷主要包括管道自重、
输送油气重量、内输油
气压力、防腐保温层及
周循环次数／l0 次
图4 本文模拟用管材的S-N
曲线(应力一寿命曲线)
Fig．4 S-N curve of pipeline
used in numerical simulation
其附件重量、绕流阻力等静载作用以及绕流升力等动
载作用。管道悬跨段既有可能因绕流作用发生振动
破坏和疲劳破坏，也有可能在发生振动破坏和疲劳破
坏前有效应力 已经超过管道的许用应力[or。]，也
就是说此时管道发生了屈服破坏。
可以利用薄壁压力管道应力分析及第四强度校
核理论，对穿越河流输油气管道悬跨段进行安全分
析。
3 悬跨安全长度判定
悬跨管道在各种静载和动载的作用下可能发生
振动破坏、疲劳破坏以及屈服破坏，图5展示的是管
道模型受载示意图。
水流方向
绕流阻力
水流方向
If f f．
浮力
^ 绕
』流
I升
力
l自重
图5 管道模型受载示意图
Fig．5 Schematic diagram of pipeline being loaded
3．1 判定条件
为满足悬跨管道不发生共振破坏、疲劳破坏和
屈服破坏的要求，特提出以下悬跨管道安全长度判
定条件。
3．1．1 条件l— — 频率条件
悬跨管道不因绕流作用而发生共振。据此提出
悬跨管道振动临界长度。当悬跨管道的激振频率
与其自振频率厂D满足关系式(1)时，我们认为可以有
效避免悬跨管道发生共振现象，即
≥ 。 (1)
式中 为管道的自振频率(Hz)； 管道的激振频
率(I-Iz)；n为关系常数。
一般认为n值在[0．7 1．3]区间内时“锁频现
88 长江科学院院报 2014年
象”才有可能发生。
可利用有限元模拟方法或理论计算 方法对
悬跨管道的自振频率进行模拟计算；利用专业流体
分析软件FLUENT对悬跨管道绕流现象进行模拟，
得到管道的激振频率。
根据该条件易得到悬跨管道的振动临界长度
，】。
3．1．2 条件2—— 疲劳条件
管道在交变荷载作用12 h内不发生疲劳破坏
(根据油气管道维抢修经验，一般认为管道在发生洪
水险情时需12 h内对管道采取必要风险减缓措施，
防止管体损伤继续增大，因此在条件2的判断中选择
管道在水流冲刷下不发生破坏的最大作用时间为
12 h)。据此提出悬跨管道疲劳临界长度。首先利用
式(2)确定管道发生疲劳破坏的容许循环次数[N]：
[Ⅳ]： ×43 200fo 。(2)
式中： 为管道的激振频率，即绕流升力作用频率
(Hz)；[Ⅳ]为管道发生疲劳破坏的容许循环次数。
利用ANSYS Workbench中疲劳分析工具Fa—
tigue Tool对管道疲劳破坏进行模拟分析，采用图4
所示的管材s．N曲线。
根据该条件易得到悬跨管道的疲劳临界长度
。r2 o
3．1．3 条件3——屈服条件
管道在静载作用下满足Mises屈服条件(第四
强度理论)，即
or。=( +or 一ore )丁<[or ] ， (3)
式中：[or ]为管道的许用应力；or 为管道的有效应
力；or。为管道的环向应力；or 为管道的纵向应力。
根据该条件易得到悬跨管道的屈服临界长度
。r3。
3．2 悬跨安全长度
因管道的疲劳破坏和屈服破坏均是由荷载引起
的，可将条件2与条件3统称为荷载条件，只有同时
满足该2个条件时才可得到管道荷载临界长度；将
条件1单独列为频率条件，满足该条件可得到管道
振动临界长度。振动临界长度与荷载临界长度的较
小值即为管道的悬跨安全长度。见图6所示。
为确保管道不因悬跨现象而发生损坏或失效，
悬跨管道既要满足不因管后涡旋泄放而发生共振破
坏(条件1)又要满足不因绕流作用而发生疲劳破坏
(条件2)或因静载作用而发生屈服破坏(条件3)，
即悬跨安全长度必须同时满足上述3个条件，见式
(4)、式(5)。
悬跨安全长度={振动临界长度，荷载临界长度} (4)
荷载临界长度={疲劳临界长度，屈服临界长度}⋯。(5)
频率条件r(条件1)管道不发生振动破坏 振动临界长度]
r(条件2)管道不发生疲劳破坏、I I} 悬跨安全长度
荷载条件1 }荷载临界长度J
(条件3)管道不发生屈服破坏l
图6 管道悬跨安全长度判定条件
Fig．6 Judgment criteria of the safety length of span
4 实例应用
论文以兰郑长输油管道地质灾害调查 为背
景，对深水河穿越(穿越长度160 in)悬跨安全长度
进行模拟计算。
4．1 参数选取
本文数值计算及模拟中所采用管道材质为优质
压力薄壁钢管。
(1)管材：X65型钢，材质为L450MB。
(2)管道尺寸：内径610 mm，壁厚7．9 mm。
(3)管道内压：8．0 MPa。
(4)环境：假设水流为均质稳恒流，流速区间为
0．1～2．0 m／s；水流运动黏滞系数为1．003×10
1TI ／s；雷诺数 区间为6．08 x 10 ～1．22×10 ；绕
流阻力cD系数，当Re>6×10 时，CD=0．36，Re<
6×10 时，Cn：1．2 。
4．2 模拟计算结果
4．2．1 频率条件
通过对悬跨管道自振频率和激振频率模拟与计
算，容易得到悬跨管道的自振频率、激振频率以及振
动临界长度，结果分别如图7、图8、图9所示。
N
10．0
罨
槲
1 0
舡
留
0．1
管道悬跨长度，m
10 15 20 25 3O 35 40 45 50 55 60
＼
＼
一
一
～
～
～
＼
— ’ -、--
～
图7 不同悬跨长度下管道自振频率曲线
Fig．7 Curve of natural vibration frequency of
pipeline with diferent span lengths
4．2．2 荷载条件
对悬跨管道疲劳临界长度和屈服临界长度进行
对比，取其临界长度最小值作为满足荷载条件的荷
载临界长度(图10，式(5))。
第2期 李亮亮等 穿越河流管道悬跨安全长度判定 89
乓
呔
磐
督
2
．0
8
6
．4
2
．0
0
水流流速／(m’S )
图8 不同水流绕流下悬跨管道激振频率曲线
Fig．8 Curve of vortex-induced vibration of
pipeline at diferent flow velocities
图9 不同水流绕流下悬跨管道振动临界长度
Fig．9 Curve of critical length of pipeline vibration
at diferent flow velocities
图10 悬跨管道的荷载临界长度曲线
Fig．1 0 Curves of critical lengths of
loaded suspended span
4．2．3 悬跨安全长度
下面将对频率条件和荷载条件进行对比，以确
定满足管道设计要求的悬跨安全长度。要使管道不
因悬跨现象而发生损坏或失效，悬跨段管道不但要
满足不因管后涡旋泄放而发生共振破坏，而且必须
满足不因水流绕流作用而发生疲劳失效或因静力作
用而发生屈服破坏(图11，式(4))。
水流流速／(m·S。)
图11 悬跨管道的悬跨安全长度
Fig．11 Safety length of suspended span
由公式(4)可知，悬跨安全长度就是振动临界
长度和荷载临界长度两者之间的较小值。通过
图11所示的曲线容易观察到：当水流流速为0．1—
0．4 m／s时，荷载临界长度小于振动临界长度，因此
此时荷载作用(决定荷载临界长度)是管道悬跨安
全长度的控制因素；当流速位于0．5—1．6 m／s时，
振动临界长度却又小于荷载临界长度，故涡旋的泄
放(决定振动临界长度)又成为管道悬跨安全长度
的控制因素；但当水流流速继续增大，荷载作用对管
道的影响又一次超过了涡旋泄放，成为了控制管道
悬跨安全长度的控制因素。
5 结 论
立足管道悬跨损毁机理研究，以悬跨管道不发
生振动破坏、疲劳破坏和屈服破坏为准则，判定其悬
跨安全长度，并得出以下结论：
(1)悬跨一旦产生，容易造成管道的振动、疲劳
或屈服破坏。
(2)运用理论分析及数值模拟的方法对油气管
道穿越河流的悬跨现象进行了分析，提出悬跨管道
安全的判定条件：悬跨管道不因管后涡旋泄放发生
共振破坏、不因绕流作用发生疲劳破坏、不因静载作
用发生屈服破坏，同时满足该3个条件的管跨长度
即为管道悬跨安全长度。
(3)水下输流管道的动力特性受到内外流一管
道耦合作用，在悬跨分析中，并未综合考虑泥沙影
响、管道轴力、温差变化、原有缺陷等诸多因素的影
响，需对其进行详细探讨。
参考文献：
[1] 任志平．大中型穿越河流输油管道的风险评估[D]．大
庆：大庆石油学院，2004．(REN Zhi—ping．Risk Assess—
ment for Large··and--Medium Scale Oil Transmission Pipe·-
line Across Rivers[D]．Daqing：Daqing Petroleum Institu·
te，2004．(in Chinese))
[2] 余建星，罗延生，方华灿．海底管线管跨段涡激振动响应
的实验研究[J]．地震工程与工程振动，2001，21(4)：
93—94．(YU Jian—xing，LUO Yah—sheng，FANG Huacan．
A Test Study on Dynamic Response of Submarine
Pipeline Spans[J]．Earthquake Engineering and Engineering
Vibration，2001，21(4)：93—94．(in Chinese))
『3] XU T，LAURIDSEN B，BAI Y．Wave．induced Fatigue of
Multi—span Pipeline[J]．Marine Structure，1992，2(12)：
83—106．
[4] 马良海底管道在水流作用时诱发的振动效应[J]．
中国海洋平台，2000，15(2)：30—34．(MA Liang．Vibration
Effect of Submarine Pipelines Caused by Flow Action
[J]．China Offshore Platform，2000，15(2)：30—34．(in
N《斛鬃鞲鼯测敬留 们加∞ ∞ ∞ 加加0
长江科学院院报 2014正
Chinese))
邓清禄．兰郑长输油管道地质灾害调查及整治规划(信
阳一长沙段)[R]．武汉：中国地质大学(武汉)，2009．
(DENG Qing—lu． Geological Disaster Investigation and
Regulating Planning for Lanzhou-·Zhengzhou Long Oil Pipe--
line(Xinyang—Changsha Segment)[R]．Wuhan：ChinaU—
niversity of Geosciences，2009．(in Chinese))
夏震寰．现代水力学(四)波浪力学[M]．北京：高等教
育出版社，1992．(XIA Zhen-huan．Modem Hydraulics
(IV)Mechanics of Waves[M]．Beijing：Higher Education
Press，1992．(in Chinese))
Determining the Safety Length of Suspended Span of
River·Crossing Pipelines
(编辑：刘运飞)
LI Liang—liang ，ZHU Jie ，HAN Bing。
(1．PetroChina Pipeline R&amp;amp;D Center，Langfang 065000，China；2．The Second Management of Pipeline Project，
PetroChina Pipeline Company，Langfang 065000，China；3．China Coal Geology Engineering Corporation，
Beijing 1 00073，China)
Abstract：Suspended span of river—crossing pipeline for oil and gas transmission is defined as the pipe segment
which does not contact with the riverbed．To determine the judgment criteria of suspended span’s safety length，the
causes of suspended span damage are expounded．The damage mechanism are analyzed in terms of vibration，fa—
tigue，and yield．The flow analysis，vibration analysis，static structural analysis and fatigue analysis for suspended
pipeline are carried out by means of relevant analysis tools．On the basis of the above analysis，the critical lengths
of suspended span in vibration，fatigue and yield conditions are obtained，and the judgment criteria for the safety
length of suspended span is proposed．Some calculation examples are provided for reference for the construction and
protection of river—crossing pipelines．
Key words：oil and gas pipelines；suspended span；water flow impact；safety length
盒客 套 客客 客
(上接第85页)
客套 客客套客 盒客客 套 置 客 客客 客盒 客套
Dynamic M onitoring and Analysis on Discharge—induced Vibration of
the Bottom Outlet Gate of Three Gorges Project
ZHANG Xiao-ping，WU Jie-fang，ZHANG Lin-rang，ZHAN Xue-jun，PENG Ding
(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，
Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China)
Abstract：The prototype dynamic safety monitoring data of the bottom outlet gate of three gorges project(TGP)is
analyzed．The monitoring data include gate’s dynamic property and vibrating acceleration，dynamic displacement，
dynamic and static stress，fluctuating pressure，and hoisting capacity under designed water leve1．The prototype
monitoring results show that the natural frequencies of the gate are approximate to the test results of hydroelastic
model，and the modal shapes of the gate are the same with those in the hydroelastic mode1．When the gate is in opening
or closing condition with small angles，the fluctuating pressure on the bottom of the gate’s downstream face
is bigger，and the acceleration at the bottom of the gate is larger，but the corresponding dynamic displacement and
dynamic stress are very smal1．Moreover，the vibration of gate leaf and support arms under small-opening condition
is larger than that under large-opening condition，but with no harm ful vibration in the whole process．In conclusion．
the flow．induced vibration of the gate is safe．
Key words：Three Gorges Project；bottom outlet gate；dynamic monitoring；vibration analysis

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