油氣管道韌性設(shè)計

油氣管道韌性設(shè)計引言對于管道設(shè)計來說，韌性設(shè)計是長輸管道系統(tǒng)的安全性可靠性得到保障的重要指標(biāo)，因為斷裂事件的進(jìn)程可以被足夠的韌性所延緩甚至被阻止。從最基本的角度出發(fā)，管道韌性設(shè)計最先強(qiáng)調(diào)的就是安全性和經(jīng)濟(jì)性。對管道缺陷或者裂紋滿足管道運行與否的評估是當(dāng)前國際上通行的外油氣輸送管道的設(shè)計方法，運用的包括應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則，裂紋止裂韌性準(zhǔn)則和斷口形貌準(zhǔn)則都是基于裂紋斷裂失效判斷準(zhǔn)則。基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行復(fù)雜的管道韌性設(shè)計方法既不利于計算參數(shù)的獲取，也不利于管道成本的節(jié)約，需要有韌性設(shè)計新方法的建立。基于應(yīng)變的管道防斷裂設(shè)計方法研究與應(yīng)用高壓、大口徑是油氣管道的發(fā)展趨勢，而“先漏后破”準(zhǔn)則和“先破后漏”準(zhǔn)則則成為管道防斷裂設(shè)計的兩大準(zhǔn)則。根據(jù)這兩個準(zhǔn)則的分析表明：當(dāng)輸送管道承受的壓力越來越高，使用的口徑越來越大時，也就需要越來越高的材料屈服強(qiáng)度；但是高強(qiáng)度的材料也就需要高標(biāo)準(zhǔn)的材料韌性。應(yīng)用“LBB準(zhǔn)則”設(shè)計需要承受較高壓力的大口徑管道就會要求更高韌性的材料，這樣也更加安全。下面闡述“LBB準(zhǔn)則”在基于應(yīng)變的管道防斷裂設(shè)計中的應(yīng)用。2.1計算模型建立（1）缺陷尺寸當(dāng)量化在斷裂力學(xué)中常需要對裂紋或缺陷擴(kuò)展過程進(jìn)行分析，一般采用的裂紋假設(shè)認(rèn)為裂紋是無限大平板中心的穿透裂紋，但是實際上穿透裂紋是不允許出現(xiàn)在管道上的，因為穿透裂紋實質(zhì)上就已經(jīng)意味著管道發(fā)生了泄漏，因此當(dāng)量化管道上其他類型的裂紋為穿透裂紋就非常必要。這樣通過現(xiàn)有知識便于使計算步驟簡化，在降低工作量的同時也不使計算的合理性受到影響。如果管道中一條深埋裂紋其深度為a,長度為l,那么其裂紋長度就可非常簡便地用橢圓形裂紋轉(zhuǎn)化為當(dāng)量穿透裂紋長度。其中ca2）a2）0.422.23-cK3.31.1K3.31.150aa1.51.95a式中，c裂紋半長，mm。如果是表面裂紋，我國壓力容器規(guī)范用下面的F代替上式中的MF1.15.20.55a/c a/t1.8a/cTOC\o"1-5"\h\za2 a 3a 4a/c 1時F1.120.23a/t10.55 21.71 30.38-z十t tta/c 1時 （3）式中，l餵紋長度，mm;t-試件厚度，mm;況量綱裂紋張開位移油氣管道屬于焊接結(jié)構(gòu)，此處求取無量綱裂紋位移，可以由下式求得4）4）s s.20.75 / 0.5's S式中，為初始狀態(tài)下缺陷處無缺陷時的應(yīng)變值。（2）缺陷處在無缺陷時的應(yīng)變值確定雖然受應(yīng)力影響導(dǎo)致管道缺陷的應(yīng)變方向不在同一個方向上，但是應(yīng)變方向大體上可以分為軸向和徑向，那么管道當(dāng)量應(yīng)變值就應(yīng)該是無缺陷時管道缺陷的應(yīng)變值，此時的應(yīng)變主要包括有：對于油氣輸送管道而言，其應(yīng)力情況很復(fù)雜，為簡化計算，此處缺陷處的一次應(yīng)力主要考慮管道內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，溫差應(yīng)力，如管道還同時受ht到彎曲應(yīng)力的作用，則要考慮彎曲應(yīng)變，因此一次應(yīng)變?yōu)閣1（5）1htbw式中，-由缺陷類型確定的系數(shù)。b是管道所受的二次應(yīng)力，是其產(chǎn)生的殘余應(yīng)變，只有通過生產(chǎn)廠家q2提供的管道殘余應(yīng)力或者應(yīng)變數(shù)據(jù)才能求取其值。殘余應(yīng)變產(chǎn)生的位置，即在諸如焊縫、遞進(jìn)邊熱影響區(qū)、自由邊熱影響區(qū)等管道焊縫附近，使其方向可以認(rèn)為是垂直于焊縫方向。是由峰值應(yīng)力引起的應(yīng)變，產(chǎn)生于幾何形狀變化引起的應(yīng)力集中。由3于管道直徑發(fā)生變化或者方向發(fā)生變化，使得管道應(yīng)力會發(fā)生集中，這樣的情況需要根據(jù)實際進(jìn)行判斷，這里僅考慮集與管道軸向相垂直的應(yīng)變。裂紋張開位移求取裂紋張開位移可以根據(jù)下式求取a (7)式(7)為日本標(biāo)準(zhǔn)上的公式，此式的優(yōu)點在于比我國標(biāo)準(zhǔn)更加經(jīng)濟(jì)。求出材料的臨界裂紋張開位移c臨界裂紋張開位移一般為材料的基本參數(shù)，可以查表或者經(jīng)過試驗取得。c評定當(dāng)合格；c當(dāng)缺陷不能接受。c如果管道上存在穿透缺陷，則在內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力作用下，穿透裂紋尖端的位移為2t(8)s式中，-裂紋屈服應(yīng)變。s因此，當(dāng)材料的最小裂紋張開位移滿足cmin2t(9)cmins時，就可先泄漏后破壞。2.2管道缺陷處無缺陷臨界應(yīng)變值確定管道設(shè)計時既要保證材料有足夠大的裂紋尺寸，也要保證足夠的安全，因此基于LBB準(zhǔn)則就需要選擇足夠大的材料屈服強(qiáng)度，因為其正比于管道承載能力。如果CK2/為基于LBB準(zhǔn)則而設(shè)計的材料最佳性能指標(biāo)組合，那么選擇材LICs料的CT就應(yīng)該是最大。如果為給定材料管道的屈服極限，那么根據(jù)式(7)即Ls可計算出管道缺陷處無缺陷應(yīng)變的臨界值，此時韌性臨界值為管道缺陷的張開c位移。a (10)cc由此可得，缺陷處無缺陷時臨界應(yīng)變?yōu)椤?a (11)由管道宏觀應(yīng)變代替應(yīng)變值，管道裂紋處無裂紋時的極限應(yīng)變值理論上可通過式(11)計算。跨越管道和埋地管道的臨界軸向應(yīng)力值均不相同，那么此處臨界應(yīng)變值的甲酸模型應(yīng)為跨越管道臨界應(yīng)變計算模型一般情況下，跨越管段撓屈引起的應(yīng)變與軸向應(yīng)變相差2個數(shù)量級，為簡化計算跨越段的組合應(yīng)變可只取管道軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變的組合應(yīng)變。國家規(guī)范SYJ15規(guī)定，跨越管道考慮主要載荷的強(qiáng)度條件是e,s一般取其計算模型中的極限強(qiáng)度，因此跨越管道軸向應(yīng)變極限值為0.72（13）cs（2）埋地管段臨界應(yīng)變計算模型要使埋地管段不發(fā)生軸向失穩(wěn)，管道軸向臨界應(yīng)變值為0.9P 0.9v;KDEI9:KDIcr 0 0cE E 10E （14）2.3幾點建議管道無缺陷時的應(yīng)變是在管道防斷裂設(shè)計中經(jīng)簡化處理后計算獲得的，但這里所計算的應(yīng)變不是裂紋尖端的應(yīng)變；因此應(yīng)考慮如下的一些因素以使計算結(jié)果更接近于實際工況:（1）彎曲應(yīng)力和彎曲應(yīng)變在有彎曲應(yīng)力的部分管段中可能會對裂紋擴(kuò)展有影響，應(yīng)加以考慮。例如彎曲應(yīng)變在計算跨越管段就必須考慮，因為其可能是由橫向載荷所引起。（2）焊接殘余應(yīng)變在計算屬于焊接結(jié)構(gòu)的油氣管道時就需要考慮，因為該應(yīng)變可能是由焊接殘余應(yīng)力所產(chǎn)生。（3）應(yīng)力增量或應(yīng)變在應(yīng)力集中的管段應(yīng)該得到考慮，因為諸如地下管道彎頭，泵出口接頭等管段會產(chǎn)生因結(jié)構(gòu)幾何形狀變化而導(dǎo)致的應(yīng)力集中。應(yīng)用實例利用實際管道工程參數(shù)進(jìn)行了實例計算，并對管道進(jìn)行有限元模擬分析，驗證計算模型的正確性和適用性。3.1實例參數(shù)（1）管道材料參數(shù)某跨越管道為71111.1的X60焊管，設(shè)計壓力64MPa，線膨脹系數(shù)為1.2105mm/mmC，泊松比0.3，屈服極限413MPa。管道建成后s強(qiáng)度試壓介質(zhì)為水，試壓壓力8MPa。操作溫度與安裝溫度之差T20C，埋地端管頂埋深1.5m。（2） 裂紋參數(shù)經(jīng)無損探傷發(fā)現(xiàn)，跨越管道某處有一縱向表面半橢圓裂紋，a4mm，l10mm。在運行溫度（20C）下材料臨界裂紋張開位移.0.480mm。cmin（3） 土壤參數(shù)土壤為亞粘土，土壤容重17kN/m3，變形模量E18MPa，泊松比soso0.33,內(nèi)聚力C 0.01MPa內(nèi)摩擦角20。，軸向反力系數(shù)sososoC3N/cm3。計算管道跨距為多少時既能滿足運行要求又可最大限度利用材xo料?圖1圖1跨越管段示意圖3.2韌性設(shè)計由上節(jié)計算得到跨越管段長度23m，此處以23m為計算長度。（1）裂紋尺寸當(dāng)量化其中，a321.71-a321.71-t30.38a4 2.104288tF1.120.23a/110.55-t對于跨越管道，缺陷處無缺陷應(yīng)變要受到彎曲應(yīng)力的影響，彎曲應(yīng)力為wWwW24776732?71159MPa此時204°，2559 0.530.5則無量綱裂紋張開位移為bw/0.150.68b