張 先 鋒

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

1 概述

近年，隨著海洋油氣儲(chǔ)運(yùn)業(yè)的發(fā)展，海底管道的建設(shè)活動(dòng)越來越多，建成了一些大口徑的海底管道[1]。大口徑海底管道的焊接、施工方法等方面都有較大的進(jìn)步和發(fā)展[2,3]。但是在管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析方面，在現(xiàn)行的海底管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中[4]，對(duì)徑厚比大于45的海底管道都沒有規(guī)定明確的設(shè)計(jì)方法。對(duì)大口徑海底管道而言，若要在設(shè)計(jì)過程中控制管道的徑厚比滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的適用條件，需要選擇較大的鋼管壁厚，這將會(huì)增加鋼材用量和海上焊接時(shí)間，增加工程投資。本研究通過對(duì)大口徑薄壁海底管道在彎矩作用下的局部屈曲分析，引入了彎曲抗力系數(shù)，建立了彎矩抗力系數(shù)與管道徑厚比的關(guān)系。

2 大口徑薄壁海底管道局部屈曲模擬

2.1 理論彎矩抗力

海底管道的局部屈曲的理論彎矩抗力為：

Mp=fy×(D-t)2×t。

其中，Mp為塑性彎矩抗力，N；Sp為塑性軸力抗力,N；D為管道外徑,N；t為管道壁厚,N；fy為材料屈服強(qiáng)度，Pa。

將實(shí)際彎矩抗力與理論彎矩抗力的比值定義彎矩抗力系數(shù)γMP，即：

則內(nèi)部超壓海底管道局部屈曲校核公式變?yōu)椋?/p>

其中，γm為材料抗力因子，無量綱；γSC為安全等級(jí)抗力因子，無量綱；Msd為設(shè)計(jì)彎矩，N·m；Ssd為設(shè)計(jì)有效軸力，N；pi為管道內(nèi)壓，Pa；pe為管道外壓，Pa；MP為塑性彎矩抗力，N·m；SP為塑性軸力抗力，N；pb為承壓抗力，Pa；t2為管道壁厚，m；αc為考慮應(yīng)變硬化的流動(dòng)應(yīng)力參數(shù)；αmd為考慮點(diǎn)荷載影響的塑性彎矩抗力折減系數(shù)，無量綱；αp為壓力因子，無量綱。

2.2 鋼管本構(gòu)關(guān)系

管道局部屈曲分析中，考慮材料的非線性影響，其應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系遵循Ramberg-Osgood模型，即：

其中，ε為總應(yīng)變，無量綱；σ為應(yīng)力，Pa；E為彈性模量，Pa；αr為Ramberg-Osgood系數(shù)，無量綱；σo為名義屈服應(yīng)力，Pa；N為Ramberg-Osgood指數(shù)，即：

其中，εo為屈服應(yīng)變，無量綱；σu為最小抗拉強(qiáng)度，Pa；εu為極限強(qiáng)度應(yīng)變，無量綱。

2.3 有限元分析

采用有限元法分別研究五種管徑φ1 016，φ1 118，φ1 219，φ1 321，φ1 422管道在不同壁厚條件下的局部屈曲失效承載力。管徑與壁厚組合情況見表1。

表1 典型截面組合表 mm

管道有限元模型如圖1所示。

根據(jù)對(duì)海底管道在彎矩作用下的局部屈曲模擬分析，得出φ1 016，φ1 118，φ1 219，φ1 321，φ1 422管道的實(shí)際彎矩抗力見表2～表6。

表2 φ1 016管道彎矩抗力結(jié)果

表3 φ1 118管道彎矩抗力結(jié)果

表4 φ1 219管道彎矩抗力結(jié)果

表5 φ1 321管道彎矩抗力結(jié)果

表6 φ1 422管道彎矩抗力結(jié)果

根據(jù)上述不同管徑、不同徑厚比條件下管道彎矩抗力系數(shù)可知，當(dāng)徑厚比大于45時(shí)，管道的局部屈曲彎矩抗力會(huì)隨著管道徑厚比的增大而降低，彎矩抗力系數(shù)與管道徑厚比的關(guān)系如圖2所示。

基于設(shè)計(jì)包絡(luò)線方法，彎矩抗力系數(shù)可按下式取值：

3 結(jié)論與建議

本研究通過對(duì)大口徑薄壁海底管道在彎矩作用下的局部屈曲分析，引入了彎曲抗力系數(shù)，建立了彎矩抗力系數(shù)與管道徑厚比的關(guān)系。研究結(jié)果表明，大口徑薄壁海底管道的彎曲抗力系數(shù)隨徑厚比的增大而減小。