鋼管 管道的穩定性應力分析及解決方案
我們知道，材料力學分強度、剛度和穩定性三大理論。在平時的設計中，管系的強度和剛度很多設計人員積累了一定的經驗，可以通過管道布置和支架設計/應力分析得到保證。那么，管道系統的穩定性是什么？如何保證？
針對管道，下面發生的問題均為管道整體失穩：
1 架空管道（左右擺龍）：
架空或埋地管道發生失穩的原因是管道熱脹被兩側錨固，或連續土壤約束給限制住了，導致管道形成擠壓作用，如果溫差大，擠壓力大，架空管道缺少導向架，或埋地管道埋深覆土過淺，就會讓管道抵抗擠壓能力變弱，容易發生上述失穩。
解決方法:解決上述管道失穩有兩個辦法，一個是采用補償設計增大管道柔性，降低軸力；另外一個就是增加導向架密度和埋深，增大管道抗擠壓能力。
熱力直埋管道在軸向擠壓作用下發生褶皺（中國熱力俗稱“起包”），是因為管道被約束住（兩端固定，或處在埋地錨固段），熱脹產生的軸力擠壓管道，管道徑厚比r/t過大，壁厚薄，抗擠壓能力弱，就容易發生上面局部失穩情況。
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。針對環向外壓壓癟失穩，最好的辦法就是在管道外壁增設補強圈，抵抗外壓作用，避免發生外壓失穩。還有一種局部失穩，就是管道在軸力推擠和彎曲應力共同作用下，一側產生褶皺：
這種一側發生管道褶皺，往往都是發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，彎管發生彎曲變形，由于直管推壓導致大彎曲應力作用，弧段發生失穩，就會進入塑性變形，產生一側褶皺變形。
這個折角弧段失穩，不同于引發管疲勞破壞的二次應力。首先，他是重量+溫度+壓力等全部載荷共同作用下，導致折角弧段或直段發生失穩破壞。失穩控制是第一位的，這個滿足后，我們才會檢查彎頭，折角和三通的疲勞二次應力。
管道熱脹導致活動段發生運動，對折角弧段或彎頭發生擠壓及彎曲，首先必須保證熱態全載荷作用下不發生失穩，其次是熱態-冷態來回循環變化應力范圍要滿足安定性要求，確保疲勞壽命的滿足。
可能很多人誤認為彎頭變形是溫度熱脹引發的，溫度引發的就是二次應力，二次應力就得按安定性原則來控制，這是錯誤的。管道熱脹對折角彎頭或弧管有兩個破壞作用，一個是引發弧管失穩，產生褶皺；另外一個就是如果不發生失穩，冷熱循環導致二次應力，對彎管或彎頭產生疲勞破壞。一個原因，引發兩個不同的結果。不允許發生失穩，也不允許二次應力超標產生疲勞破壞。
解決的方法：要想避免一側彎管起褶皺，就得增大管道柔性，折角位置控制熱態彎曲應力水平，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。不讓發生失穩，降低軸力和彎矩，增加柔性就可以。這和改進管道柔性是一回事。
節點6熱態應力超標，而二次應力不超標，而熱態OPE應力超標。這個警告客戶軸向力擠壓和折角彎將要發生塑性失穩變形，起褶皺。這不是疲勞問題，不是我們平時考慮的二次應力問題。是折角彎失穩問題。
穩定問題是一個變形問題，一個構件的變形大或小取決于整個構件的剛度，而不是取決于某一特定截面，穩定問題是針對整個構件的，結構是由各個桿件組成的一個整體。當一個桿件發生失穩變形后，它必然牽動和它剛性連接的其他桿件，桿件的穩定性不能就某一根桿件去孤立地分析，而應當考慮其他桿件對它的約束作用。這種約束作用是要從結構的整體分析來確定的，這就是穩定的整體性問題。
強度問題是指由作用對結構構件產生的截面最大內力或截面上某點的最大應力是否超過截面的承載能力或材料的強度。結構穩定計算與強度計算的最大不同是計算要在結構變形后的幾何形狀和位置進行，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力的穩定性問題，他的截面和長度（長細比）和他中間的導向架決定了他的抗壓能力；但橫梁和斜撐，以及所有節點不是受拉，就是受彎或受剪力和扭矩，都是強度問題。
針對管道，我們如何區別強度問題和穩定性問題？
1、破壞形式不同。強度破壞是承壓問題，承重跨度問題，溫度導致熱脹管道柔性問題。這些問題主要導致管道垮塌，爆裂和疲勞壽命縮短產生裂紋破壞等。
管道穩定破壞是結構問題，是管道形狀維持不住，整體失穩導致管道左右擺龍，干擾附近管道和擋土墻；局部失穩一旦發生，就會進入塑性大變形，這時管道已經從失穩進入破壞形狀后的塑性變形，導致通流通道縮小，管道產生應力從壓應力變成彎拉和壓應力，嚴重會導致管道斷裂，否則應力水平高會誘發應力腐蝕，加速管道腐蝕減薄作用。
2、分析方法不同：管道強度問題，都是按應力分類法，進行載荷分類，獲得規范應力，依據強度原則進行比較控制應力水平。主要是控制承壓壁厚，一次應力（壓力+重量載荷引發），二次應力（溫度引發變形導致），以及偶然應力控制（偶然載荷引發）。穩定性都是全載荷（重量+壓力+溫度）共同作用，長直管道主要是軸力和導向約束，埋深；折角位置，主要是軸應力+彎應力（一側拉，一側壓）；局部失穩，主要是檢查軸力，埋深和徑厚比的關系。
3、判斷原則不同：強度問題都是進基于許用應力控制，承壓和承重都是用一倍許用應力來控制；溫度產生彎矩作用在彎頭和三通處，產生疲勞破壞，通過安定性原則或疲勞曲線來控制許用應力。而穩定性是通過臨界許用壓應力來控制的。臨界許用壓應力大小是管道幾何結構和臨近約束條件決定的。
再次重申，許用壓應力和屈服強度沒有任何關系，和安定性也沒有任何關系，國內區域供熱CJJ81規范編制人和有些人一直在錯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，用屈服應力折算溫差-稱作“屈服溫差”解釋失穩，誤認為受壓失穩控制在，用安定性原則來做失穩許用壓應力。
屈服強度是材料拉伸特性，我們都是通過屈服強度和拉伸極限結合安全系數獲得許用應力。許用應力都是用在承壓和承重強度控制上。安定性是針對彎頭和三通在熱脹載荷作用下發生彎曲，扭轉交變應力允許大變形（彈-塑性），采用三倍許用應力的控制疲勞應力方法。管道承壓，承重和柔性設計都是強度問題，不是穩定性問題。
根據材料力學的基本理論之一-歐拉公式，壓桿是否會產生失穩，與壓桿的長細比及抗彎剛度有關。在長直管道上，多增設導向架（相當于減小管段長度）、通過走向優化減少管道系統外載（軸向力），都可以避免失穩的發生。壓力管道系統功能是安全輸送工藝介質，滿足工藝要求，確保系統安全。壓力管道不允許發生強度問題，不允許發生撓度過大變形，也不允許發生穩定性問題。這就是我們俗稱的管道要滿足“強度”，“剛度”和穩定性“三個控制要求，只有這樣，才能保證管道安全，壽命長久，應力腐蝕得到有效控制等。
近年來，國內各行業管道建設速度快，規模大，復雜度高，各種事故頻發。也出現失穩破壞事故增多，很多人不了解失穩，分不清折角弧段失穩和疲勞二次應力區別，對局部失穩（大口徑埋地管道升溫時，發出巨響）不清楚，失穩導致管道發生形變，多數情況下埋地管道不會被人們發現，除非做內檢驗或泄露發生，但這些需要一定時間才能覺察到，即便發現，運營人員也不知道解決和避免方法。管道失穩，起褶皺給后面的承壓和柔性等強度問題都帶來了未知變量，給運行高度埋下事故隱患。
避免管道失穩，從根本上講，我們必須了解帶有溫度的管道需要柔性設計，釋放熱載。
無論埋地還是架空敷設熱輸管道都要考慮溫度補償，進行柔性設計，降低管道軸力，降低對彎頭的擠壓和彎曲作用，從根本上避免失穩發生。
至于加大埋深和增大管道壁厚，都是不去主動解決問題，而是采用通過提高許用壓應力方式控制失穩，管道線路很長，有加強的地方，就有更加減弱的地方，抗失穩能力增強了，可能軸力增加更大，埋深就得也加大，軸力高對管線上三通，大小頭，閥門都帶來嚴重危害，這種方法往往不可取。
本文來源：艾思弗軟件和壓力管道人
