管道的穩(wěn)定性應(yīng)力分析及解決方案
失穩(wěn)定義：軸向受壓的細(xì)長直桿當(dāng)壓力過大時(shí)，可能會(huì)突然變彎，失去原來直線形式的平衡狀態(tài)，而喪失繼續(xù)承載的能力，稱這種現(xiàn)象為喪失穩(wěn)定，即失穩(wěn)。
針對(duì)管道，下面發(fā)生的問題均為管道整體失穩(wěn)： 1 架空管道（左右擺龍）：
2. 埋地管道（頂起，頂出地面，河面，起褶皺）
架空或埋地管道發(fā)生失穩(wěn)的原因是管道熱脹被兩側(cè)錨固，或連續(xù)土壤約束給限制住了，導(dǎo)致管道形成擠壓作用，如果溫差大，擠壓力大，架空管道缺少導(dǎo)向架，或埋地管道埋深覆土過淺，就會(huì)讓管道抵抗擠壓能力變?nèi)?，容易發(fā)生上述失穩(wěn)。
解決方法:解決上述管道失穩(wěn)有兩個(gè)辦法，一個(gè)是采用補(bǔ)償設(shè)計(jì)增大管道柔性，降低軸力；另外一個(gè)就是增加導(dǎo)向架密度和埋深，增大管道抗擠壓能力。
熱力直埋管道在軸向擠壓作用下發(fā)生褶皺（中國熱力俗稱“起包”），是因?yàn)楣艿辣患s束?。▋啥斯潭ǎ蛱幵诼竦劐^固段），熱脹產(chǎn)生的軸力擠壓管道，管道徑厚比r/t過大，壁厚薄，抗擠壓能力弱，就容易發(fā)生上面局部失穩(wěn)情況。
解決的方法是增大管道柔性降低軸力或加大壁厚增加抗擠壓能力。針對(duì)環(huán)向外壓壓癟失穩(wěn)，最好的辦法就是在管道外壁增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)圈，抵抗外壓作用，避免發(fā)生外壓失穩(wěn)。還有一種局部失穩(wěn)，就是管道在軸力推擠和彎曲應(yīng)力共同作用下，一側(cè)產(chǎn)生褶皺：
這種一側(cè)發(fā)生管道褶皺，往往都是發(fā)生在折角彎管或彎管附近直管上面，直線管道熱脹推壓彎管，彎管發(fā)生彎曲變形，由于直管推壓導(dǎo)致大彎曲應(yīng)力作用，弧段發(fā)生失穩(wěn)，就會(huì)進(jìn)入塑性變形，產(chǎn)生一側(cè)褶皺變形。
這個(gè)折角弧段失穩(wěn)，不同于引發(fā)管疲勞破壞的二次應(yīng)力。首先，他是重量+溫度+壓力等全部載荷共同作用下，導(dǎo)致折角弧段或直段發(fā)生失穩(wěn)破壞。失穩(wěn)控制是第一位的，這個(gè)滿足后，我們才會(huì)檢查彎頭，折角和三通的疲勞二次應(yīng)力。 管道熱脹導(dǎo)致活動(dòng)段發(fā)生運(yùn)動(dòng)，對(duì)折角弧段或彎頭發(fā)生擠壓及彎曲，首先必須保證熱態(tài)全載荷作用下不發(fā)生失穩(wěn)，其次是熱態(tài)-冷態(tài)來回循環(huán)變化應(yīng)力范圍要滿足安定性要求，確保疲勞壽命的滿足。 可能很多人誤認(rèn)為彎頭變形是溫度熱脹引發(fā)的，溫度引發(fā)的就是二次應(yīng)力，二次應(yīng)力就得按安定性原則來控制，這是錯(cuò)誤的。管道熱脹對(duì)折角彎頭或弧管有兩個(gè)破壞作用，一個(gè)是引發(fā)弧管失穩(wěn)，產(chǎn)生褶皺；另外一個(gè)就是如果不發(fā)生失穩(wěn)，冷熱循環(huán)導(dǎo)致二次應(yīng)力，對(duì)彎管或彎頭產(chǎn)生疲勞破壞。一個(gè)原因，引發(fā)兩個(gè)不同的結(jié)果。不允許發(fā)生失穩(wěn)，也不允許二次應(yīng)力超標(biāo)產(chǎn)生疲勞破壞。 解決的方法：要想避免一側(cè)彎管起褶皺，就得增大管道柔性，折角位置控制熱態(tài)彎曲應(yīng)力水平，埋地管道在折角附近做松軟回填或包裹，增大折角位置柔性，釋放熱脹推力。不讓發(fā)生失穩(wěn)，降低軸力和彎矩，增加柔性就可以。這和改進(jìn)管道柔性是一回事。
節(jié)點(diǎn)6熱態(tài)應(yīng)力超標(biāo)，而二次應(yīng)力不超標(biāo)，而熱態(tài)OPE應(yīng)力超標(biāo)。這個(gè)警告客戶軸向力擠壓和折角彎將要發(fā)生塑性失穩(wěn)變形，起褶皺。這不是疲勞問題，不是我們平時(shí)考慮的二次應(yīng)力問題。是折角彎失穩(wěn)問題。
穩(wěn)定問題是一個(gè)變形問題，一個(gè)構(gòu)件的變形大或小取決于整個(gè)構(gòu)件的剛度，而不是取決于某一特定截面，穩(wěn)定問題是針對(duì)整個(gè)構(gòu)件的，結(jié)構(gòu)是由各個(gè)桿件組成的一個(gè)整體。當(dāng)一個(gè)桿件發(fā)生失穩(wěn)變形后，它必然牽動(dòng)和它剛性連接的其他桿件，桿件的穩(wěn)定性不能就某一根桿件去孤立地分析，而應(yīng)當(dāng)考慮其他桿件對(duì)它的約束作用。這種約束作用是要從結(jié)構(gòu)的整體分析來確定的，這就是穩(wěn)定的整體性問題。 強(qiáng)度問題是指由作用對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的截面最大內(nèi)力或截面上某點(diǎn)的最大應(yīng)力是否超過截面的承載能力或材料的強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算與強(qiáng)度計(jì)算的最大不同是計(jì)算要在結(jié)構(gòu)變形后的幾何形狀和位置進(jìn)行，其方法屬于幾何非線性范疇，疊加原理不再適用 我簡單舉個(gè)例子：建筑工地上常見的塔吊。垂直立柱受壓，他的主要問題就是承受壓應(yīng)力的穩(wěn)定性問題，他的截面和長度（長細(xì)比）和他中間的導(dǎo)向架決定了他的抗壓能力；但橫梁和斜撐，以及所有節(jié)點(diǎn)不是受拉，就是受彎或受剪力和扭矩，都是強(qiáng)度問題。
針對(duì)管道，我們?nèi)绾螀^(qū)別強(qiáng)度問題和穩(wěn)定性問題？
1、破壞形式不同。強(qiáng)度破壞是承壓問題，承重跨度問題，溫度導(dǎo)致熱脹管道柔性問題。這些問題主要導(dǎo)致管道垮塌，爆裂和疲勞壽命縮短產(chǎn)生裂紋破壞等。
管道穩(wěn)定破壞是結(jié)構(gòu)問題，是管道形狀維持不住，整體失穩(wěn)導(dǎo)致管道左右擺龍，干擾附近管道和擋土墻；局部失穩(wěn)一旦發(fā)生，就會(huì)進(jìn)入塑性大變形，這時(shí)管道已經(jīng)從失穩(wěn)進(jìn)入破壞形狀后的塑性變形，導(dǎo)致通流通道縮小，管道產(chǎn)生應(yīng)力從壓應(yīng)力變成彎拉和壓應(yīng)力，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致管道斷裂，否則應(yīng)力水平高會(huì)誘發(fā)應(yīng)力腐蝕，加速管道腐蝕減薄作用。
2、分析方法不同：管道強(qiáng)度問題，都是按應(yīng)力分類法，進(jìn)行載荷分類，獲得規(guī)范應(yīng)力，依據(jù)強(qiáng)度原則進(jìn)行比較控制應(yīng)力水平。主要是控制承壓壁厚，一次應(yīng)力（壓力+重量載荷引發(fā)），二次應(yīng)力（溫度引發(fā)變形導(dǎo)致），以及偶然應(yīng)力控制（偶然載荷引發(fā)）。穩(wěn)定性都是全載荷（重量+壓力+溫度）共同作用，長直管道主要是軸力和導(dǎo)向約束，埋深；折角位置，主要是軸應(yīng)力+彎應(yīng)力（一側(cè)拉，一側(cè)壓）；局部失穩(wěn)，主要是檢查軸力，埋深和徑厚比的關(guān)系。
3、判斷原則不同：強(qiáng)度問題都是進(jìn)基于許用應(yīng)力控制，承壓和承重都是用一倍許用應(yīng)力來控制；溫度產(chǎn)生彎矩作用在彎頭和三通處，產(chǎn)生疲勞破壞，通過安定性原則或疲勞曲線來控制許用應(yīng)力。而穩(wěn)定性是通過臨界許用壓應(yīng)力來控制的。臨界許用壓應(yīng)力大小是管道幾何結(jié)構(gòu)和臨近約束條件決定的。
再次重申，許用壓應(yīng)力和屈服強(qiáng)度沒有任何關(guān)系，和安定性也沒有任何關(guān)系，國內(nèi)區(qū)域供熱CJJ81規(guī)范編制人和有些人一直在錯(cuò)誤解釋熱水直埋管道錨固段失效破壞原因和失效控制原則，用屈服應(yīng)力折算溫差-稱作“屈服溫差”解釋失穩(wěn)，誤認(rèn)為受壓失穩(wěn)控制在，用安定性原則來做失穩(wěn)許用壓應(yīng)力。
屈服強(qiáng)度是材料拉伸特性，我們都是通過屈服強(qiáng)度和拉伸極限結(jié)合安全系數(shù)獲得許用應(yīng)力。許用應(yīng)力都是用在承壓和承重強(qiáng)度控制上。安定性是針對(duì)彎頭和三通在熱脹載荷作用下發(fā)生彎曲，扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力允許大變形（彈-塑性），采用三倍許用應(yīng)力的控制疲勞應(yīng)力方法。管道承壓，承重和柔性設(shè)計(jì)都是強(qiáng)度問題，不是穩(wěn)定性問題。
根據(jù)材料力學(xué)的基本理論之一-歐拉公式，壓桿是否會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)，與壓桿的長細(xì)比及抗彎剛度有關(guān)。在長直管道上，多增設(shè)導(dǎo)向架（相當(dāng)于減小管段長度）、通過走向優(yōu)化減少管道系統(tǒng)外載（軸向力），都可以避免失穩(wěn)的發(fā)生。壓力管道系統(tǒng)功能是安全輸送工藝介質(zhì)，滿足工藝要求，確保系統(tǒng)安全。壓力管道不允許發(fā)生強(qiáng)度問題，不允許發(fā)生撓度過大變形，也不允許發(fā)生穩(wěn)定性問題。這就是我們俗稱的管道要滿足“強(qiáng)度”，“剛度”和穩(wěn)定性“三個(gè)控制要求，只有這樣，才能保證管道安全，壽命長久，應(yīng)力腐蝕得到有效控制等。
近年來，國內(nèi)各行業(yè)管道建設(shè)速度快，規(guī)模大，復(fù)雜度高，各種事故頻發(fā)。也出現(xiàn)失穩(wěn)破壞事故增多，很多人不了解失穩(wěn)，分不清折角弧段失穩(wěn)和疲勞二次應(yīng)力區(qū)別，對(duì)局部失穩(wěn)（大口徑埋地管道升溫時(shí)，發(fā)出巨響）不清楚，失穩(wěn)導(dǎo)致管道發(fā)生形變，多數(shù)情況下埋地管道不會(huì)被人們發(fā)現(xiàn)，除非做內(nèi)檢驗(yàn)或泄露發(fā)生，但這些需要一定時(shí)間才能覺察到，即便發(fā)現(xiàn)，運(yùn)營人員也不知道解決和避免方法。管道失穩(wěn)，起褶皺給后面的承壓和柔性等強(qiáng)度問題都帶來了未知變量，給運(yùn)行高度埋下事故隱患。 避免管道失穩(wěn)，從根本上講，我們必須了解帶有溫度的管道需要柔性設(shè)計(jì)，釋放熱載。
無論埋地還是架空敷設(shè)熱輸管道都要考慮溫度補(bǔ)償，進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，降低管道軸力，降低對(duì)彎頭的擠壓和彎曲作用，從根本上避免失穩(wěn)發(fā)生。
至于加大埋深和增大管道壁厚，都是不去主動(dòng)解決問題，而是采用通過提高許用壓應(yīng)力方式控制失穩(wěn)，管道線路很長，有加強(qiáng)的地方，就有更加減弱的地方，抗失穩(wěn)能力增強(qiáng)了，可能軸力增加更大，埋深就得也加大，軸力高對(duì)管線上三通，大小頭，閥門都帶來嚴(yán)重危害，這種方法往往不可取。