摘要：將加勁巨型輸水鋼管分為管身段和加勁環管段，分析了隨著鋼管的巨型超薄化，其抗外壓失穩性能的驟減特征，揭示了加勁環的型式、尺寸、布置間距及材料性能等因素對其抗外壓失穩能力的影響，給出了加勁環的合理形式、尺寸及布置間距。

關鍵詞：巨型薄壁鋼管 抗外壓失穩 管徑 壁厚 加勁環

隨著低成本、無污染水能資源的大力開發，水電站輸水鋼管日趨巨型、超巨型化，而考慮焊接質量等因素，管壁厚度一般控制在40 mm以內。這種巨型超薄壁鋼管在施工、運行期間不可避免受到隨機外壓、局部外壓、均勻外壓作用時極易失穩，近年來我國就發生十多起水電站輸水鋼管外壓失穩實例，又如三峽水電站巨型鋼管施工中也曾出現外壓失穩現象。因此，對巨型薄壁鋼管開展外壓失穩規律分析，研究其抗外壓失穩性能及其影響因素，已成為目前大型水電站建設中亟待解決的問題。

該文將帶有加勁環的巨型薄壁鋼管視為環間管身段和環部位管段（稱環管段）二部分，綜合應用Mises理論及彈性環外壓穩定分析理論，并考慮了材料的塑性失效狀態，揭示出管徑、管壁厚度、加勁環型式、尺寸、間距、鑄管材料諸因素對巨型薄壁鋼管抗外壓失穩性能的影響，并給出了加勁環的合理型式、尺寸及布置間距。

1 管身段分析

1.1 計算模型、公式與計算成果

為透析管徑巨型化與管壁超薄化以及加勁環間距對管身段抗外壓失穩性能的影響，計算模型采用了相對管半徑r/t=20～400、相對環間距L/r=0.1～50（r管半徑，t壁厚，L環間距）范圍內的529個管身段計算對象構成的有序系統，應用Mises理論[1]計算其臨界失穩外壓值Pcr及其失穩波數n值；為了解失穩時材料屬性，以16 Mn鋼、A3鋼為例，計算材料在塑性屈服時管身段所能承擔的失效外壓，計算公式采用：

σst=P·r(2）

式中 E、υ、σs分別為管身材料的彈性模量、泊松比和屈服極限，P 為管身段塑性失效外壓，其余符號意義同前。

整編計算結果可繪制成如圖1所示的計算曲線（圖中縱坐標‘logPcr’是Pcr的對數值，L/r 為曲線參數，曲線1、2為16 Mn鋼、A3鋼材質的管身段塑性失效外壓曲線），同時表1給出了管身段Pcr值隨相對管半徑 r/t與相對環間距L/r增大而驟減的變化趨勢分析，表2給出了相應于不同r/t、L/r值時的管身段臨界失穩波數n值。

1.2 計算成果分析

1.2.1 隨著鋼管的巨型超薄化，管身段抗外壓失穩能力驟減由圖1 所示曲線可見：管身臨界失穩外壓Pcr值隨r/t增大而減小，在r/t=20～220以內為驟減，此范圍以外漸趨平緩。例如由表1可看出，在L/r=0.1～5.0范圍內，當r/t 由20增至220時，管身段Pcr值將驟減至初值（r/t=20的Pcr值）的0.25％～0.54％；隨著Pcr驟減，當管徑增大至一定值時，管身抗外壓失穩能力將變得極低，例如L/r=5.0、r/t=400的Pcr值僅為0.12×100kPa，即只能承受約1.2 m外壓水頭。

1.2.2 管身段Pcr值驟減比率受加勁環間距影響不大計算結果表明：Pcr驟減比率受加勁環間距影響不大，例如對表1中r/t=320的情況，當L/r從0.3變至5.0時，其Pcr值均減至各自初值的0.1％～0.11％，降減比率基本相等。

1.2.3 加勁環作用及最有效環間距由圖1曲線顯然可見：減小加勁環間距可有效提高管身Pcr值，且L/r愈小，Pcr值及其增長比率愈大。例如對r/t=220情況見表1，當L/r由5.0減至1.0再繼續減至0.1時，管身Pcr值增量分別為2.3×100 kPa和25.4×100 kPa，即環距L每減少0.1 r時Pcr值的平均增量分別為0.0 575×100 kPa和2.54×100 kPa，后者是前者的44倍。從計算成果看，巨型薄壁鋼管最有效環間距為L=（0.1～0.6）r（例如三峽水電站鋼管采用了L=2 m即L =0.32 r）。

1.2.4 零作用環間距圖1曲線還顯示出，隨環間距增大，加勁環作用逐漸減小，至L/r=50時，管身段與光面管的logPcr～r/t曲線基本重合，尤其在r/t≤300范圍內完全重合，這表明二者抗外壓失穩能力相當，此時加勁環對管身段已不具有任何剛度支持作用。因此工程中應避免采用零作用環間距：L=50 r。

1.2.5 管身段失穩波數由圖1及表2可知，管身段失穩波數n是其縱向與環向剛度的綜合反映，隨管徑巨型化，管身段環向剛度降低，失穩波數增加；而在軸向，隨環間距增大、管身段軸向剛度降低，失穩波數減小。對于大管徑密間距加勁管的管身段，失穩時為多波形式；而對稀疏環間距小管徑情況，管身段失穩時為少波形式；對于光面管情況n=2。

1.3 管身段失穩時材料屬性

圖1中塑性失效外壓曲線1、2將管身段logPcr～r/t曲線分為屬于塑性失穩和彈性失穩的上、下二區。當管徑及環間距較大時，管身段將在承受較小外壓下發生彈性失穩，Pcr落于下區；而管徑或環間距較小時，管身段將能在承受較大外壓下失穩，同時伴隨有材料塑性變形，Pcr落于上區；管身彈性失穩時，材料力學性能將不能充分發揮。

2 環管段分析

2.1 加勁環合理結構型式

加勁環結構型式包括：加勁環斷面形式及環與鋼管連接方式。對巨型薄壁鋼管，宜采用與管身軋制為一體的加勁環，以避免加勁環與管身間大量焊縫施工量及焊接質量不均帶來的不利；加勁環合理斷面形式與尺寸，應能在較小的環斷面面積下獲得相對較大的臨界失穩外壓Pcr值，又能使管身段與環管段的Pcr值接近或相等，改善結構外壓承載條件，并便于施工。

2.2 環管段計算模型、公式與計算成果

與管身軋制為一體的加勁環環管段部分包括：加勁環以及與之相連的兩側0.78（rt）1/2范圍內的管身。計算模型取為：管徑r=6.2 m、壁厚r=4 cm、加勁環厚度a=2、4、6、8、10 cm、相對環間距L/r=0.1、0.2、0.32......2.0、2.5、3.0、環高厚比b/a=0.3～50范圍內的矩形斷面環與相同斷面積的T形環（見圖2內附圖），共計1 128個環管段計算對象構成的有序系統，應用彈性環外壓穩定分析理論[1]計算環管段臨界失穩外壓值Pcr，并以16Mn鋼、A3鋼為例，計算材料在塑性屈服時環管段所能承擔的失效外壓P，計算公式采用：

式中，Rk為環管段形心至鋼管軸線距離，Jk為環管段截面形心慣性矩，其余符號意義同前。整編上述計算成果可繪制成如圖2、3、4所示的曲線，其中，圖2為矩形斷面與T形斷面加勁環環管段logPcr值的對比圖，圖3、4分別為采用矩形和T形斷面加勁環時，環管段logPcr值與加勁環高寬比b/a之間的關系曲線，圖3、4中曲線1、2為16Mn鋼、A3鋼質的環管段塑性失效外壓曲線。

2.3 計算成果分析

2.3.1 加勁環合理斷面形式比較圖2中矩形環與T形環環管段logPcr～b曲線可知：加勁環間距相同、斷面積相同時，采用矩形環可獲得更高的Pcr值，且L/r值愈小效果愈顯著。例如對b=1 m，L/r=0.1和L/r=3.0情況，采用矩形環與T形環的環管段Pcr值分別為363.1與208.9和11.8與6.9（×100 kPa）。L=0.1r時矩形環與T形環Pcr值之差為154.2（×100 kPa），而L=3.0r時則為4.9（×100 kPa），前者高出后者30.5倍。可見，采用小間距矩形環更為經濟合理，且制造施工方便。

2.3.2 加勁環適宜尺寸比較圖3（或圖4）中的曲線可知：環厚a過小，尤其當a< t（管壁厚）時，即使采用較大的環高也不易獲得較高的Pcr值（且環高過大時，施工不便并存在自身屈曲問題）；而當a≥t時，則可以在較小的環高b及適當的環高寬比b/a與加勁環間距L時獲得較大的Pcr值；從計算成果看，適宜環厚a及環高b分別為：a=（1～1.5）t；b=（5～20）a。

2.4 環管段失穩時材料屬性

圖3、4中塑性失效外壓曲線1、2將環管段logPcr～b/a曲線分為屬于塑性失穩和彈性失穩的上、下二區。當a及b/a值較大時，環管段將能在承受較大外壓下失穩，同時伴隨有材料塑性變形，Pcr落于上區；反之，環管段將在較小外壓下發生彈性失穩，Pcr落于下區。對于后者材料力學性能將不能充分發揮。

3 結語

隨著管身巨型超薄化，鋼管抗外壓失穩能力已變得極低，本文分析表明，采用加勁環是提高其抗外壓失穩性能的有效措施，與管身軋制為一體的矩形環是合理、實用形式；為避免管身段提前失穩，加勁環最有效間距為L=（0.1～0.6）r；要保證環管段具有足夠的抗外壓失穩能力以及加勁環自身穩定和方便施工，加勁環適宜尺寸為a=（1～1.5）t，b=（5～20）a；聯合應用本文圖1、3（或圖4）曲線，可使管身段與環管段獲得相等或較為接近的Pcr值，并達到材料強度充分發揮，從而獲得鋼管外壓穩定性的優化設計。

參考文獻：

[1] 潘家錚.壓力鋼管[M].北京：電力工業出版社，1982.

[2] 劉東常，劉憲亮. 壓力管道[M].鄭州：黃河水利出版社，1998.

Analysis on the Property Resisting to Lose Stability for Huge Thin Wall Steel Water－pipeline Applied Hydroelectric Station under External Pressure

Abstract: This paper by piding a ring－strengthened huge steel water－pipeline into two parts: pipe－body－part and ring－pipe－part， analyzed the feature that the pipeline''s ability resisting to lose stability under external pressure reduces rapidly as its diameter becomes larger and larger and its wall becomes thinner and thinner; It revealed the influence of the forms， the sizes， the installed distance of strengthen－ring as well as the property of material etc on the pipeline''s ability resisting to lose stability ; It gave the reasonable forms， sizes， and installed distance of strengthen－rings.

Keywords: huge thin wall water－pipeline; resisting to lose stability under external pressure; diameter of pipe; thick of wall of pipe; strengthen－ ring