长输管道(陆上OnShore)HDD计算

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Jan 2, 2026

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HDD计算

一、所有穿越壁厚核算（利用壁厚计算表）

穿越段的设计系数应该区别常规段，符合以下要求，如果常规段设计系数与 GB 50423-2013 表3.2.2 应取设计系数不一致时，应重新进行壁厚计算。(穿越段钢管的直径与壁厚之比应小于100，并应满足各种穿越条件下的管道径向稳定要求)

许用应力计算：

穿越段的钢管许用应力应乘以4.3.3的提高系数；

——输送油气钢管的许用应力,MPa;

——钢管的规定最小屈服强度,MPa;

——钢管的焊缝系数,1;

——温度折减系数，当设计温度小于120℃时，,取1.0；

——强度设计系数，按照表3.2.2取值;

壁厚计算：

穿越段钢管的直径与壁厚之比应小于100，并应满足各种穿越条件下的管道径向稳定要求，壁厚应按下式计算。

——满足压力及各种裕量要求的公称壁厚,mm;

——设计内压，MPa(g);

——输送外径，工艺专业输入条件mm;

——管道规定的最低屈服强度，MPa;As per Table D-1 of ASME B31.8；

——腐蚀余量+螺纹深度+额外保护厚度，1.5mm；

二、穿越等级

1、水域穿越工程等级

三、挖沟法穿越设计

1、埋深及管沟要求

2、水下管段稳定

抗漂浮核算

当水下穿越管段埋深符合4.1.2要求时，不需要抗位移验算，但应按照下式进行抗漂浮核算：

As per GB 50423-2013 4.2.2

——单位长度管段静水浮力,N/m;

——所穿水域水的重度，N/m³;

——管身结构（含防护、配重层）的外径，m;

As per GB 50423-2013 4.2.3

——单位长度管段静水浮力，按4.2.2-5

——单位长度管段的总重力（包括管身结构自重、配重层重、设计洪水冲刷线致管顶的岩土层重；不含管内介质重量），N/m;在竖向弹敷设穿越管段时，应减去计算的弹性抗力

——稳定安全系数，大中型穿越工程取1.2，小型穿越工程取1.1;

竖向弹性敷设查阅管段，管段的总重力还应减去管段向上的弹性抗力，其单位长度的弹性抗力按照下列公式计算：

——弹性敷设设计曲率半径,m;不应小于1000D（国外没有这方面要求）

——管段弹性敷设转角,°;宜小于5°

——钢管外径,m;

——弹性敷设的矢高，m;

——弹性敷设起终点间的水平长度,m;

——钢管截面惯性矩,;

——钢管内径,m;

——弹性敷设管段单位长度抗力，N/m；

——钢管弹性模量,2.1×10^11 N/㎡;

——钢管壁厚，m；

3、穿越段管段计算应力核算 Combining of Stresses (Restrained pipe)

4.4.1 穿越管段应根据设计选用壁厚和管材等级，核算强度、刚度及稳定性。 4.4.2 核算穿越管段的强度应分别计算轴向应力、环向应力和弯曲应力，根据作用组合计算出的各单项应力之和均应小于或等于相应的钢管许用应力。

步骤一：计算环向应力 Hoop Stress

环向应力（内压）Hoop Stress From Internal Pressure（内压同应力核算已经进行验证）

As per ASME B31.4-2022 402.3 Stress From Internal Pressure：无论是受约束的不受约束的管道，由内压引起的环向应力计算公式：

As per SYT 6968-202110.1.3 钢管弯曲应力

——由内压引起的环向应力，MPa;

——设计内压/泥浆压力，可按照1.5倍泥浆静压力或回拖施工时的实际压力选取，MPa(g);

——输送外径，mm;

——管道壁厚，mm；

——容许环向屈服应力，MPa;

——弹性环向失效应力，MPa;

步骤二：内压与温度变化产生的轴向应力

1）当管段轴向变形不受约束时

2)当管段轴向变形受约束时

——热膨胀应力，MPa;compressive stress压应力取负值，tensile stress拉应力取正值；

——钢材弹性模量，MPa;

——线性膨胀系数，mm/mm/℃;As per ASME B31.4 402.2.1:对于碳钢及低合金高强度钢，温度不超过 250°F 时，其线性热膨胀系数可取为 6.5×10⁻⁶ in./in./°F （温度不超过 120℃时，可取为 11.7×10⁻⁶ mm/mm/°C）。

——管道安装时的温度，℃;

——工作/环境最高或最低温度，两个都要计算，最高温度对应压力，最小温度对应拉力，℃;

步骤三：计算弯曲应力 (和常规应力分析一致)

场景1:弹性敷设弯曲应力：管道弹性敷设(长输主要计算核对这一场景)

冷弯管加工的塑性变形阶段，不可用该公式计算最终残余应力，仅用于校核冷弯过程中的弹性极限弯曲半径。由基础公式推导变形简化得到：

——弹性弯曲应力，MPa;

——弹性模量，MPa(g);

——管道外径，mm;

——设计弹敷半径，mm;可根据75%*SMYS的值反推最小R值。

公式推导过程

曲率-弯矩方程

——持续载荷弯矩(+偶然载荷)，;

——管道单位长度均布荷载，N/mm;

——计算跨度，mm，

空心圆截面的惯性矩公式：

空心圆截面的截面模量：

——空心圆截面的惯性矩;

——管道外径，mm;

——截管道内径，mm;

——管道最外侧到中性轴的距离，圆形截面中性轴过圆心，因此

带入弯曲应力基础计算公式：

As per SYT 6968-202110.1.3 钢管弯曲应力

——允许弹性弯曲应力，MPa;

当管壁足够厚、径厚比足够小时，管道环向刚度极大，弯曲过程中受压侧管壁不会发生局部屈曲，只有当弯曲产生的管壁最大纤维应力达到钢材屈服强度时，管道才会发生不可逆的塑性变形失效，失效完全由材料强度控制。

随着管壁变薄、径厚比增大，管道弯曲时，受压侧管壁会在应力未完全达到屈服强度时，就发生局部屈曲失稳（管壁向内凹陷 / 向外鼓包），属于弹塑性过渡阶段的失稳破坏 —— 失效既和材料屈服强度有关，更和管壁的几何稳定刚度（径厚比）直接相关。

管壁极薄时，管道弯曲的受压侧，会在应力远低于钢材屈服强度时，就发生弹性局部屈曲失稳。此时材料强度已不是控制因素，管壁的几何刚度（径厚比）是唯一的失效控制指标，和钢材屈服强度几乎无关。

——管道外径，mm;

——截管道内径，mm;

——管道单位长度均布荷载，N/mm;

——计算跨度，mm，

步骤四：当量应力

——纵向应力，MPa;

——热膨胀应力，MPa;

——由内压引起的环向应力，MPa;

——弹性弯曲应力，MPa;

——轴向力，例如立管上的重量，;

——公称管道横截面的金属面积，;

步骤五：轴向稳定

计算出穿越管段承受轴向压应力时，应按照下列公式核算管段的轴向稳定：

——等效组合应力，MPa;von Mises Equivalent stress ;

——由内压引起的环向应力，MPa;

——纵向应力，MPa;

——扭转应力，MPa;

步骤六：应力核对

As per ASME B31.4 403.3.1

3、水平定向钻穿越设计

As per SYT 6968-2021 水平定向钻穿越曲线设计

——入土角，°;

——出土角，°;

——曲率半径，KN/m³，78.5;

——入土端直线段的高度，m;

——入土端曲线的高度，m;

——入土端地面与底部直线段的高度，m;

——出土端地面与底部直线段的高度，m;

——出土端曲线的水平长度，m;

——出土端直线的水平长度，m;

——底部直线段的长度，m;

——穿越长度，m;

As per SYT 6968-2021 8.0.12 :管道回拖时，回拖管道入洞竖向曲线的曲率半径应计算确定且不宜小于800D，回拖管道入洞竖向曲线的最小曲率蚌精宜按以下公式计算

——回拖管道的最小曲率半径，m;

——管道外径，mm;

——管道的屈服极限，N/m㎡（MPa）;

为了有利于回拖管作业，最小的弯曲半径应尽可能大些。欲铺设管线的允许最小弯曲半径可按照下列公式计算：

——最小弯曲半径，m;

——常数，206 N·m/m㎡;

——管道外径，mm;

——管道的屈服极限，N/m㎡（MPa）;

——安全系数，1~2;

弹性敷设，曲率半径不宜小于1500D，且不应小于1200D

水域穿越管段埋深符合5.1.4要求时，可不核算水平定向钻穿越段的水下稳定性。

步骤一：回拖力计算

As per CECS 382-2014 5.2.5管道在回拖施工时，管材能承受的最大回拖力可按照下式计算

——管道能承受的最大回拖力，N;

——管道外径，mm;

——安全系数，给水、排水、通信、电力等低压管道取2.0，燃气等高压管道取3.0;

As per SYT 6968-2021 10.1.2 管道回拖工况下，拉应力与拉力与钢管横截面积的比值，宜按照以下公式校核

——拉应力，MPa;

——回拖过程中的最大拉力，KN;

——钢管净截面积，m㎡;

——钢管屈服强度，MPa;

As per GB 50423-2013 5.2.3 穿越管段回拖时，钻机最大回拖力可按照下列计算值的1.5倍~3.0倍选取

——计算拉力，KN;

——穿越管段的长度，m;

——摩擦系数，0.3;

防腐层摩擦系数

：不同防腐层的动摩擦系数差异极大，是回拖力计算的核心敏感参数：

光滑 3LPE 防腐层：泥浆环境下摩擦系数 0.15~0.3；

纤维增强 HSS 热缩套保护后：摩擦系数 0.2~0.4；

防腐层破损、翘边：摩擦系数可骤升至 0.8 以上，直接导致回拖力翻倍；

——钢管外径，m;

——泥浆重度，KN/m³，10.5~12.0;

——钢管重度，KN/m³，78.5;

——钢管壁厚，m;

——回拖管道单位长度配重，KN/m;当管道在钻孔中的静浮力大于2kN/m时，应采取配重措施（as per SYT 6968-2021 10.1.1）

——粘滞系数，KN/㎡，0.18;

步骤二：径向屈曲失稳核算

As per GB 50423-2013 5.2.4 穿越管段在扩孔回拖时，应按照下列公式核算空管在泥浆压力作用下的径向屈曲失稳。（与CECS382-2014中的公式一至）

1计算径厚比相关参数

径厚比参数m

椭圆度参数m

2理想弹性临界外压

3验证屈服外压，确定失稳类型

环向应力达到屈服强度时的塑性失稳外压：

如果,那么证明在达到塑性屈服前已发生弹性屈曲失稳，极限外压由弹性屈曲控制

4求解极限外压

5规范允许的设计外压

按照规范要求，回拖泥浆外压不得超过设计系数折减后的极限外压

设计定向钻最大泥浆外压等于as per SYT 6968-2021

允许最大泥浆外压等于

——泥浆压力，MPa,可按1.5倍泥浆静压力或回拖时泥浆的实际动压力选取;

——钢管的屈服强度，MPa;

——穿越管段强度设计系数，

——穿越管段所能承受的极限外压力，MPa;

——钢管弹性变形临界压力，MPa;

——钢管弹性模量，MPa,2.1×10^5;

——钢管壁厚，mm;

——钢管外径，mm;

——泊桑比，0.3;

——钢管的椭圆度，%;

——泥浆重度，KN/m³;

——穿越轴线的高差，m;

As per CECS 382-2014 5.4.3配重选取

水压试验后清管排水工况：长输管道最常见的真空高风险场景。清管器排水时，若运行速度过快、末端阀门关闭不当，清管器后方管段会形成瞬时全真空，极易导致大口径薄壁管永久性瘪管变形；海外项目有的明确要求，排水方案必须附全真空计算书。 定向钻 / 穿越管段回拖工况：穿越管段回拖时，管内排空形成负压，需叠加水土外压做全真空组合工况校核。 As per ASME Sec VIII Rules for Construction of Pressure Vessels Div 1, UG-28, 核心原理：外压作用下圆桶形壳体及管子的设计。

在外压作用下管子最小需要厚度: ——管子外径，mm;

——有效壁厚，mm;

——图G确定的系数;

——最小需要壁厚，管道选用壁厚，mm;

——设计外压力，MPa;

——选取壁厚下最大允许外压，Mpa;

当时

步骤一：带入选用壁厚t,计算和

步骤二：将值放入线算图，当值大于50时，直接取50，当值小于0.05时，直接取0.05。

步骤三：水平移动到第一步确定的值的线。可采用内插法，不允许外推。再从该交点垂直向下移动求得系数A的值，当A大于0.10时，取0.10.

步骤四：用第三步中已求得的A值，放到材料线算图中，铅直移动到与设计温度的材料/温度线相交。

在A值落到材料温度线端的右侧时，建设以材料温度线上的端点的水平投影为交点。如采用用表列值，应当自用最后最大的表列值，当A值落到材料温度线左侧时，见步骤七。

步骤五：从步骤四得到的交点，水平移到右边读出系数B值。

步骤六：用此B值，按照小面公司计算最大许用工作外压

步骤七：如果A值落到材料温度左侧时，采用以下公式

步骤八：

根据《ASME 第八卷第一分册》UG‑28 (f) 条款规定，若管道能够承受 103 千帕（15 磅 / 平方英寸）的净外压，则其壁厚按全真空工况设计。此时如果大于0.103Mpa那么该管道真空计算合格，如果小于，那么不合格。

常规埋地段：最大许用外压≥1.2×103kPa=124kPa（至少比 103kPa 大 21kPa）；

定向钻 / 顶管 / 水域穿越等敏感段：最大许用外压≥1.5×103kPa=155kPa（至少比 103kPa 大 52kPa），部分业主专项要求≥200kPa。

公式推导过程

径厚比：

——管道外径，;

——有效壁厚，mm;

长/短圆桶临界长径比：

刚性圆桶临界长径比：：

A<0.0002,一律取0.0002

🤗Notes

ASME31.4要求计系数 F 的值不得大于 0.72。在确定设计系数时，已充分考虑本规范认可的技术规格书中规定的厚度负偏差及最大允许缺陷深度，并为其预留了余量。若根据使用工况或安装位置有要求，使用者可选择采用小于 0.72 的设计系数 F。

该方程可能不适用于管道小于20的情况。

直径/壁厚比（D/t）:是管道设计的核心参数之一，反映管道的 “刚性与抗变形能力”—— 比值越小（壁厚相对越厚、直径相对越小），管道抗压扁、抗屈曲能力越强；比值越大（壁厚薄、直径大），越易因外力（如施工挤压、土壤载荷）或内部压力波动产生变形。D/t 比大于 96 的管道，在施工期间可能需采取额外防护措施。对于高频直缝焊（HFW）管道，其 D/t 比限制为不超过 65，且最大壁厚为 25 毫米。
高频电阻焊（HFW）钢管的径厚比验收准则（X52 及以下钢级最大值为 75；X52 以上钢级最大值为 65）非高频电阻焊（HFW）类钢管的径厚比验收准则：最大值为 96

📎 附件

ASME31.4 Table 403.2.1-1

设计系数 DESIGN FACTORS FOR ONSHORE STEEL PIPELINES

管道规定的最低屈服强度 As per Table D-1 of ASME B31.8

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一、所有穿越壁厚核算（利用壁厚计算表）

二、穿越等级

1、水域穿越工程等级

三、挖沟法穿越设计

1、埋深及管沟要求

2、水下管段稳定

抗漂浮核算

3、穿越段管段计算 应力核算 Combining of Stresses (Restrained pipe)

步骤一：计算环向应力 Hoop Stress

环向应力（内压）Hoop Stress From Internal Pressure（内压同应力核算已经进行验证）

步骤二：内压与温度变化产生的轴向应力

步骤三：计算弯曲应力 (和常规应力分析一致)

场景1:弹性敷设弯曲应力：管道弹性敷设(长输主要计算核对这一场景)

公式推导过程

步骤四：当量应力

步骤五：轴向稳定

步骤六：应力核对

3、水平定向钻穿越设计

公式推导过程

🤗Notes

📎 附件

3、穿越段管段计算应力核算 Combining of Stresses (Restrained pipe)