韓銀杉，張 宏

(中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 北京 102249)

0 引言

近年來，我國油氣管道的建設(shè)發(fā)展迅速，分布越來越廣泛，面臨的風(fēng)險(xiǎn)也越來越高。各種惡劣的工況，如斷層錯(cuò)動(dòng)、邊坡失穩(wěn)、濕陷性黃土塌陷、凍脹和凍土融沉都會(huì)使埋地管道產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變和管道位移變形[1]。傳統(tǒng)的基于應(yīng)力設(shè)計(jì)管道的方法保證外載產(chǎn)生的管道應(yīng)力或等效應(yīng)力不高于管材的允許應(yīng)力，雖為管道的安全運(yùn)營(yíng)提供了一定的安全保障，但對(duì)于諸如地震、滑坡、海底管道敷設(shè)等位移控制載荷的管道，管道應(yīng)力已超過屈服極限，基于應(yīng)力設(shè)計(jì)方法不再適用，應(yīng)采用基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)方法[2]?；趹?yīng)變的管道設(shè)計(jì)方法即要求地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，在土壤位移性載荷作用下，管道可能產(chǎn)生的最大應(yīng)變(設(shè)計(jì)應(yīng)變)應(yīng)小于管道的許用應(yīng)變(極限應(yīng)變)[3]。就極限壓縮應(yīng)變(compressive strain capacity,CSC)來講，有許多管道設(shè)計(jì)規(guī)范提供了應(yīng)變計(jì)算值計(jì)算公式，包括UOA-2006[4]、DNV OS-F101-2010[5]和CSA Z662-2011[6]等。隨后在2013年，CRES(Center for Reliable Energy Systems)根據(jù)有限元分結(jié)果和搜集到的試驗(yàn)結(jié)果，將更多影響因素考慮在內(nèi)，給出了一個(gè)適用性更強(qiáng)的極限壓縮應(yīng)變計(jì)算模型[7]。DNV和CSA計(jì)算模型在其他文獻(xiàn)[1]中已有介紹，本文將簡(jiǎn)要介紹UOA和CRES的CSC計(jì)算模型，對(duì)不同工況下四種模型的CSC計(jì)算結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析各個(gè)方法的適用性。

1 UOA和CRES計(jì)算模型

1.1 UOA計(jì)算模型

UOA模型考慮了幾何缺陷，是通過大量的有限元分析和有限元結(jié)果的曲線擬合得到的。包括四組方程，分別對(duì)應(yīng)于以下四種情況：1)應(yīng)力-應(yīng)變曲線為圓拱型的的普通光面管；2)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中帶有屈服平臺(tái)的普通光面管；3)應(yīng)力-應(yīng)變曲線為圓拱型的環(huán)焊縫管；4)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中帶有屈服平臺(tái)的環(huán)焊縫管。計(jì)算公式分別如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2 CRES計(jì)算模型

在典型加載和約束情況的有限元模型和試驗(yàn)中表明，沿管段的彎矩和壓縮應(yīng)變是不均勻的。所以褶皺會(huì)在最大彎矩和壓縮應(yīng)變處形成。CRES計(jì)算模型就將該處的平均壓縮應(yīng)變定為管道的極限壓縮應(yīng)變(CSC)?，F(xiàn)有的典型CSC計(jì)算模型影響參數(shù)通常都包括徑厚比、內(nèi)壓或外壓。但其他因素同樣會(huì)影響CSC的大小，例如管道幾何缺陷、應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀、管材硬化特性、環(huán)焊縫和凈截面應(yīng)力等。CRES將以上所有因素考慮在內(nèi)，通過CSC對(duì)各因素的敏感性分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果，提出了CRES-CSC計(jì)算模型。計(jì)算過程如式(6)：

(6)

當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線有屈服平臺(tái)時(shí)，

(7)

當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線為圓拱型時(shí)，

FLD=1

(8)

εr=FDP·FYT·FGI·FNF

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2 CSC計(jì)算方法對(duì)比分析

四種CSC計(jì)算方法都考慮了管徑、壁厚以及內(nèi)壓的影響，但適用范圍有所不同，見表1。

表1 CSC計(jì)算方法適用范圍對(duì)比

UOA模型考慮了屈服強(qiáng)度的影響，將幾何缺陷分為兩類：管道表面的不平整度和焊接錯(cuò)邊量。DNV模型考慮了屈強(qiáng)比和環(huán)焊縫的影響。CSA模型是采用試驗(yàn)的應(yīng)變下限值進(jìn)行曲線模擬建立的方程，進(jìn)而也就間接考慮了材料性質(zhì)和幾何缺陷。CRES模型考慮的因素最為全面。綜合來看，影響管道CSC大小的因素主要有徑厚比、內(nèi)壓、屈強(qiáng)比以及幾何缺陷。下面將選取不同工況，針對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線為圓拱型的普通光面管道，從以上四個(gè)方面將不同計(jì)算方法的CSC結(jié)果于有限元結(jié)果[7]進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)四種模型的適用性。

2.1 管道徑厚比影響對(duì)比分析

分別計(jì)算了徑厚比在20到104范圍內(nèi)變化的管道CSC，其他參數(shù)設(shè)定為：管道屈服極限為587 MPa，屈強(qiáng)比Y/T=0.87，內(nèi)部壓力系數(shù)fp=0，幾何缺陷尺寸hg=4%t。圖1為CSC隨徑厚比D/t的變化情況。從圖中可以看出：UOA模型結(jié)果在徑厚比小于40時(shí)要大于其他方法的結(jié)果；CSA預(yù)測(cè)結(jié)果在整體上比較保守；DNV和CRES模型結(jié)果與有限元結(jié)果更為接近。四種方法都可以比較好地衡量徑厚比對(duì)CSC的影響。

圖1 CSC隨D/t變化情況

2.2 內(nèi)壓影響對(duì)比分析

分別計(jì)算了內(nèi)部壓力系數(shù)fp在0到0.8范圍內(nèi)變化時(shí)各方法CSC預(yù)測(cè)結(jié)果，其他參數(shù)設(shè)定如下：管道屈服極限為587 MPa，屈強(qiáng)比Y/T=0.87，徑厚比D/t=45，幾何缺陷尺寸hg=4%t。圖2為CSC隨fp的變化情況。由圖中可以看出：DNV的預(yù)測(cè)結(jié)果一直隨著fp的增大呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，大于其他方法的結(jié)果；UOA的結(jié)果在fp< 0.4時(shí)與有限元結(jié)果基本保持一致，在fp>0.4時(shí)增長(zhǎng)速度變得較快，稍顯不保守；CSA的結(jié)果非常保守，在fp>0.4時(shí)不再繼續(xù)增大；CRES的預(yù)測(cè)結(jié)果與有限元結(jié)果最為接近。

圖2 CSC隨fp變化情況

2.3 屈強(qiáng)比影響對(duì)比分析

由于只有DNV和CRES在公式中考慮了屈強(qiáng)比的影響，所以本節(jié)僅計(jì)算了屈強(qiáng)比在0.70到0.96范圍內(nèi)變化的兩種模型的CSC。其他參數(shù)設(shè)定如下：管道屈服極限為587 MPa，徑厚比D/t=45，幾何缺陷尺寸hg=4%t，內(nèi)部壓力系數(shù)fp=0。圖3為CSC隨Y/T變化情況。由圖中可以看出：DNV模型結(jié)果要稍小于有限元結(jié)果；CRES模型結(jié)果更加接近有限元結(jié)果。

圖3 CSC隨Y/T變化情況

2.4 幾何缺陷影響對(duì)比分析

由于只有UOA和CRES的公式中涉及了幾何缺陷尺寸，所以本節(jié)僅計(jì)算了這兩種方法在hg/t=0.01～0.30范圍內(nèi)變化的CSC。其他參數(shù)設(shè)定如下：管道屈服極限為587 MPa，屈強(qiáng)比Y/T=0.87，徑厚比D/t=80，內(nèi)部壓力系數(shù)fp=0。圖4為CSC隨hg/t變化情況。由圖中可以看出：UOA模型結(jié)果稍小于有限元結(jié)果，比較保守；CRES模型結(jié)果更為接近有限元結(jié)果。

圖4 CSC隨hg/t變化情況

3 結(jié) 論

通過四種計(jì)算模型的對(duì)比和其結(jié)果與有限元結(jié)果從徑厚比、內(nèi)壓、屈強(qiáng)比和幾何缺陷尺寸四個(gè)方面的對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1)在模型考慮的影響因素方面，四個(gè)模型都考慮了徑厚比和內(nèi)壓的影響。在此基礎(chǔ)上，UOA模型考慮了屈服強(qiáng)度和幾何缺陷的影響。DNV模型考慮了屈強(qiáng)比和環(huán)焊縫的影響，但并未考慮普通管的幾何缺陷。CSA模型僅間接考慮了幾何缺陷的影響，但并未在公式中直接體現(xiàn)。CRES模型考慮的影響因素最為全面，四種模型中僅有CRES考慮了鋼管圓截面上的縱向應(yīng)力的影響。

2)在模型的參數(shù)適用范圍方面，UOA模型適用于分析徑厚比在50～90范圍內(nèi)的管道；DNV模型僅適用于分析內(nèi)壓大于外壓且徑厚比不大于45的海底管道，適用范圍比較有限；CSA適用于分析內(nèi)壓大于外壓且徑厚比不大于120的管道；CRES模型的適用范圍更加廣泛，可以分析徑厚比在20～104范圍內(nèi)變化的管道。

3)在模型的準(zhǔn)確性方面，UOA模型可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)CSC，在內(nèi)壓較大時(shí)稍顯不保守； DNV模型過高地衡量了內(nèi)壓的影響；CSA結(jié)果一直比較保守；CRES模型的適用性比較突出，尤其對(duì)內(nèi)壓和幾何缺陷尺寸因素的影響分析上更加準(zhǔn)確。

4)整體來講，UOA模型雖然考慮了幾何缺陷，但適用范圍比較有限；DNV模型適用于分析海底管道；CSA方法結(jié)果偏保守，并不能準(zhǔn)確地評(píng)估內(nèi)壓對(duì)CSC的影響；CRES方法的適用性最佳。

[1] 李 璞, 陶燕麗, 周 建. 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)管道局部屈曲應(yīng)變極限值的計(jì)算[J]. 天然氣工業(yè), 2013, 33(7):101-107.

[2] 王國麗, 韓景寬, 趙忠德,等. 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法在管道工程建設(shè)中的應(yīng)用研究[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì), 2011, 22(5):1-6.

[3] 張 宏,劉嘯奔. 地質(zhì)災(zāi)害作用下油氣管道設(shè)計(jì)應(yīng)變計(jì)算模型[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2017,36(1):91-97.

[4] LIU M, WANG YY, ZHANG F, and KOTIAN K, 2013, Realistic Strain Capacity Models for Pipeline Construction and Maintenance[R]. US DOT PHMSA Other Transaction Agreement #DTPH56-10-T-000016, Draft final report, July 9.

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[6] Det Norske Veritas. Submarine pipeline systems: DNV-OS-F101[S],2010.

[7] Canadian Standard Association.Oil and gas pipeline systems: CSA Z662[S], 2011.