基于应力设计及基于应变的设计1[精华]

基于应力设计及基于应变的设计
1.管道设计和校核的目的
管道设计和校核的目的是根据管道结构失效的可能模式选择设计方法和确定校核的接受准则。

2.管道结构失效模式及极限状态
若以极限状态术语明确表达的所有相关的失效模式,极限状态分成下述4类极限状态之一：--适用性极限状态(SLS)：如若超出其条件，就致使管道不适合正常运行。

--极端极限状态(ULS)：如若超出其条件，就危及管道的完整性
--疲劳极限状态(FLS)：一种由累积循环载荷效应引起的极端极限状态。

--偶然极限状态(ALS)：由于偶然载荷引起的极端极限状态。

海上管道的极限状态
适用性极限状态
--椭园变形/棘轮变形极限状态;
--累积塑性应变极限状态；和
--由于配重涂层造成的损伤或配重涂层的损坏。

.
极端极限状态
--爆破极限状态;
--椭园变形/棘轮变形极限状态(如造成总体失效);
--局部屈曲极限状态(管子壁厚屈曲极限状态);
--全面屈曲极限状态(通常是受载荷控制的条件);
--失稳断裂和塑性挤毁极限状态；和
--冲击。

疲劳极限状态e
--由于循环载荷引致的疲劳。

偶然极限状态
3.管道设计和校核方法
基于强度设计和基于极限状态的可靠性设计是管道设计和校核两种基本的方法。

管道的设计应使其能抗材料破坏失效和抗失稳。

材料破坏失效的类型包括延性、脆性和疲劳破坏失效。

延性破坏考虑的是与管道运行安全性和可靠性不相适的条件下造成的管材的过量塑性变形。

延性破坏的型式包括挤毁和爆破。

失稳失效包括挤毁、曲屈等过量塑性变形引起的失稳破坏及损伤。

主要设计方法：
3.1DNV极限状态设计方法及设计校核准则
应按最不利的载荷合成进行设计.设计载荷通常可以被表示为如下格式：
载荷系数γF, γE,γA, γP和γc相应于不同安全等级取值不同。

设计抗力Rd，通常可以下述格式表示：
k
、，分别是屈服强度和拉伸强度由于温度的减低值
αU ，材料的强度系数
αA，各向异性系数，
材料抗力系数γm, 取决于极限状态的分类
γsc取决于安全等级的抗力系数
应使设计载荷效应(Ld)不超过设计抗力(Rd)
3.2加拿大CSA Z662强度设计方法及设计校核准则
应力的确定：
由于内压、外压、弯曲、轴向载荷、椭圆度、弯矩、伴随作用的任何其他应力的复合有效应力的最大值应利用下述Hüer，vonMises和Hencky的塑性力学假设的表达式确定。

运行期应力的确定，钢管壁厚的任何腐蚀或磨蚀裕量不应被视为最小设计壁厚的一部分；然而在确定安装期和初次压力试验的应力时，这一裕量应计入。

S C=（S l2+ S h2-S l S h+3τlh2）0.5
式中：
S C：最大复合有效应力，Mpa
S l：总的轴向应力，Mpa
S h：总的环向应力，Mpa
τlh：切向剪切应力，Mpa
许用应力确定：
S ca=FST
式中
S ca：许用应力，Mpa
F：根据表1要求的设计系数
S：规定最低屈服强度，Mpa
T：温度系数（见表2）
注：对于温度不高于120℃时，T=1.00
应使最大复合有效应力S C不超过许用应力S ca
3.3载荷和抗力计算, 基于应力的设计和基于应变的设计
3.3.1 载荷条件
载荷条件的区别在于：
--载荷控制条件(LC条件)，和
--位移控制条件(DC条件).
基于应力、基于应变的不同的设计和校核方法分别适用于这两种载荷条件。

载荷控制条件：结构响应主要受施加载荷支配的一种载荷条件。

位移控制条件：结构响应主要受施加的几何位移支配的一种载荷条件。

载荷控制设计准则总是可以适用于位移控制设计准则的场合。

一个纯位移控制条件的例子是管道弯曲成与J-管或卷筒相一致的连续曲线结构。

在那种情况下，管子轴线被强迫弯曲，导致椭园变形的园周弯曲是由轴线的弯曲和由其引起的内力之间的相互作用所确定的。

管道与敷管船的船尾托管架卷筒相接触的例子,在一个相当大的范围内管道的外轮廓必与卷筒相一致，因而其轮廓是受位移控制的。

然而在某一区域范围内，在卷筒之间的管子弯曲是由重力和拉伸力之间的交互作用所确定的，因而管子的弯曲是受载荷控制的。

不过在托管架未端管子弯曲将总是受载荷控制的。

绕在卷筒上的延伸管轴与海底的接触的例子，管道由于温度和压力引起的伸长在管轴的端部施加个一位移。

因而该响应主要是受位移控制的。

然而横向阻力对管轴沿海床的移动也是一个重要的作用，并且引起某种程度的载荷控制。

这些例子表明在许多情况下载荷控制和位移控制之间可以简单地区分的情况并不多见。

选择宜根据合成载荷的那一种成分是更重要作出判断。

基于应变的设计是对予料会遭受轴向塑性变形环焊缝(可能包含缺陷)的基本要求。

这可以通过保证管体和环焊缝具有要求的强度和韧性达到。

对要求性能规定值的分析是非常复杂的。

其设计准则
εp≤[e]
εp累积等效塑性应,定义为
εp=[(2/3)(εpL2+εpH2+εpR2)]1/2
式中
εp，等效塑性应变，
εp L，总纵向应变的塑性部分，
εpH，总周向(环向)应变的塑性部分
εpR，总径向应变的塑性部分
[e]许用塑性应变能力, 定义为:
[e]=C uEL M[1-f(R)lh/st]
C安全系数
UEL均匀伸长率百分数
M焊缝强度匹配系数
R屈强比
Lh缺陷长度与深度乘积
St含缺陷体积的弧长与壁厚乘积，S取300mm
3.3.2材料选择
材料选择是设计和校核的一个重要环节。

a.管道系统用材料应依据对被输送的流体、载荷、温度和在安装和运行期间可能的失效模式的进行选择。

材料的选择应保証管道系统所有构件的兼容性。

下述材料特性应予以考虑：
--机械性能,
--硬度,
--断裂韧性,
--疲劳抗力,
--可焊性，和
--腐蚀抗力。

b.材料的选择，还应包括下述补充要求的识别：
DNV-0S-F101海上标准中
--酸性使用，补充要求S;
-- 止裂特性，补充要求F;
-- 暴露于塑性变形超过2％的管道，补充要求P
-- 提高材料利用率，补充要求U；和
--较严格的几何尺寸要求，补充要求D。

c. 材料选择应包括管线管无损捡测等级(NDT Level)的选择，见B.600。

管线管NDT等级I是采用位移控制条件局部屈曲准则(基于应变的设计)所要求的
3.3.3设计条件
3.3.3.1压力
管道系统每一区段的设计压力应经计算规定，不低于该区段予计的最大操作压力；（包括克服静压头、摩檫损失所需的压力，及任何要求的背向压力）。

3.3.3.2外压力和载荷
考虑管道敷设和运行中作用于管道的外压力和载荷的影响应采用成熟的好的工程作`法。

所选用的管子壁厚应提供足够的强度，防止过度变形和挤毁。

应考虑力学性能、壁厚的允许偏差、栯园度、管材制造和施工中的冷变形对其抗挤和应变时效效应的影响。

3.3.3.3环境影响
对于外露管线应考虑流体膨胀的压力效应，应在需要的地方安装安全泄压装置。

管道系统每一区段的设计温度范围应根据予计的敷设条件、压力试验、起动和运行等条件规定。

对于二氧化碳管道，泄压或降压时可能会出现超低溫。

膨胀和收缩的热力载荷热胀冷缩的影响设计时应予以规定。

高于敷设温度运行的受拘束管道的溫度差(该温度差应等于流体的最高温度与受拘束处金属管壁温度之差)应加以限制，以使其在受拘束处的应力或应变符合设计准则要求。

海上管道管子、构件、容积、绝缘涂敷层的重量，风载和其他持久力等对于有支撑的各种情况下管子在压力试验和运行时的应力分析应予考虑。

这些附加载荷包括：
（a）偶然的极端载荷，如惯性地震
（b）斜坡移动
（c）断层移动
（d）与地震相关的地面移动
（e）融化下沉
（f）冰冻隆起
（g）失去支撑
（h）极度过载和车辆循环辗压(陆上埋地管线尤应考虑)
（i）施工和维修时的变形
（j）机械振动
（k）水击
（l）涡流
3.3.3.4外涂层系统
外涂层系统有足够的粘接强度、抗阴极剥离的特性，並考虑其与细菌的交互作用，使管道在服役中足以抵抗土圵引起的作用在外涂层系统的剪切应力和阴极剥离作用。

钢管在补口温度的应变时效效应。

3.3.4设计校核范围
设计校核应对于管道安装、运行的各相关的阶段和条件进行校核，下述所有阶段和所有的极限状态都应被满足。

--安装,
--埋入时
--系统压力试验,
--运行；和
--停机。