管道設(shè)計論文：管道設(shè)計方法思考

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本文作者：張宏、崔紅升 單位:中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院、中國石油天然氣與管道分公司

隨著管道工程的發(fā)展，其敷設(shè)地段的地質(zhì)條件越來越惡劣，不可避免地需要穿越強震區(qū)、活動斷裂帶、滑坡、泥石流、凍土、沙漠、巖溶、采空區(qū)等各種地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地區(qū)。一旦這些地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，管道將承受較大的應(yīng)力而超過管材的許用應(yīng)力甚至屈服。如果仍然采用傳統(tǒng)的基于應(yīng)力的設(shè)計方法，就會導(dǎo)致因?qū)嶋H發(fā)生概率較低的嚴重地質(zhì)災(zāi)害而使管道建設(shè)成本過高，在工程中無法實現(xiàn)。

基于應(yīng)變的管道設(shè)計方法來源于關(guān)于極限狀態(tài)的設(shè)計思想。極限狀態(tài)指工程結(jié)構(gòu)處于某種不能繼續(xù)提供原本所能提供功能的臨界狀態(tài)，達到或逾越了該臨界狀態(tài)，結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生特定形式的失效。在DNV-OS-F101-2005、CSA-Z662-2011等管道標準[4-5]中將管道極限狀態(tài)分為適用極限狀態(tài)和臨界極限狀態(tài)。適用極限狀態(tài)指仍能夠保持管道一定使用功能的極限狀態(tài)，而臨界極限狀態(tài)指管道完全失去功能的極限狀態(tài)，如管道彎曲時截面的橢圓化失穩(wěn)、拉伸時斷裂和壓縮時產(chǎn)生屈曲折皺及疲勞斷裂等，這些破壞形式是管道使用中決不允許出現(xiàn)的。理論上，管道達到臨界極限狀態(tài)前均應(yīng)該是適用的，但基于安全的考慮，為防止管道達到臨界極限狀態(tài)，類似于基于應(yīng)力設(shè)計時采用設(shè)計系數(shù)一樣，上述規(guī)范設(shè)定了適用極限狀態(tài)，允許管道的應(yīng)力達到或超過屈服應(yīng)力而進入彈塑性狀態(tài)，但不會達到臨界極限狀態(tài)，仍能維持管道運行，不會引起泄漏、火災(zāi)、爆炸、污染等次生災(zāi)害，為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后對管道進行維搶修提供條件。為此，提出了基于應(yīng)變的管道強度設(shè)計方法。當處于適用極限狀態(tài)的管材已經(jīng)超過屈服極限而處于塑性變形階段時，管材的應(yīng)力應(yīng)變曲線比較平緩，如仍采用應(yīng)力作為控制參量，微小的應(yīng)力誤差將產(chǎn)生較大的應(yīng)變誤差，很容易使管道達到臨界極限狀態(tài)，因此將應(yīng)變作為控制參量是適宜的。目前，除上述兩個標準之外，采用基于應(yīng)變的管道設(shè)計的標準還有美國APIRP1111-199《9碳氫化合物海底管道設(shè)計、建設(shè)、運行和維修》、美國ASCE《埋地管道設(shè)計導(dǎo)則》、ASMEB31.8-2000、API1104-2005和ABS2006，英國BS8010-1993，德國GL-CodeⅢ/4，澳大利亞AS2885和AS1958等。全球采用基于應(yīng)變的設(shè)計方法設(shè)計的管道超過了10條，包括BP-Northstar、Enbrige-NormanWell等[6]。我國西氣東輸二線工程穿越強震區(qū)和活動斷層的管段，首次采用了基于應(yīng)變的管道強度設(shè)計方法。

基于應(yīng)變的管道強度設(shè)計方法的數(shù)學(xué)表達式與基于應(yīng)力的方法類似：ε≤[ε]＝Fεs（3）式中：ε為各種載荷作用時管道可能產(chǎn)生的最大應(yīng)變，與載荷大小、管道結(jié)構(gòu)及尺寸、管材特性以及管道的失效形式（如截面橢圓化、拉裂、壓縮屈曲）相關(guān)，可通過建立相應(yīng)的管道力學(xué)模型及分析計算獲得；εs為管材所能承受的極限應(yīng)變，與管道材料特性、焊接方式、管材及焊接缺陷以及管道的失效形式相關(guān)，一般通過對管材的試驗測試獲得；F為設(shè)計系數(shù)，其選取與管道可承受風(fēng)險或經(jīng)濟性相關(guān)，可通過研究并制定相應(yīng)的標準確定。由式（3）可以求得確定載荷作用下的管道應(yīng)變、管材的極限應(yīng)變和安全系數(shù)。

基于應(yīng)力和基于應(yīng)變兩種設(shè)計方法的最主要區(qū)別：①工作區(qū)域不同，對于純彈性設(shè)計的構(gòu)件而言，基于應(yīng)力和基于應(yīng)變的強度設(shè)計是相同的，因此基于應(yīng)變的強度設(shè)計一定是針對處于彈塑性狀態(tài)的構(gòu)件而言的。②控制參量不同，基于應(yīng)力的強度設(shè)計的控制參量為管道等效應(yīng)力，適合的載荷形式為不同形式的力（內(nèi)壓、溫度等）；基于應(yīng)變的強度設(shè)計的控制參量為管道的軸向應(yīng)變，適合的載荷形式通常為土壤位移。因此，基于應(yīng)變的管道強度設(shè)計主要適用于以下3個條件均滿足的情況：①受位移控制的載荷作用下的結(jié)構(gòu)，如土壤位移；②該載荷大小一定會造成構(gòu)件進入彈塑性狀態(tài)，如重大地質(zhì)災(zāi)害；③過大的應(yīng)變會使構(gòu)件達到某種工程中不允許的危險狀態(tài)，如管道破裂?；趹?yīng)變的強度設(shè)計并不能完全代替基于應(yīng)力的強度設(shè)計，因為基于應(yīng)變的強度設(shè)計只適合特定的載荷條件，是基于應(yīng)力的管道強度設(shè)計方法的一個補充。一般情況下，仍應(yīng)該首先考慮采用基于應(yīng)力的設(shè)計。

在DNV-OS-F101和CSA-Z662標準中，既包括基于應(yīng)力的設(shè)計準則，又包括基于應(yīng)變的設(shè)計準則。因此，采用基于應(yīng)變的強度設(shè)計應(yīng)注意以下幾點：①基于應(yīng)變的設(shè)計方法是基于應(yīng)力的設(shè)計方法難以滿足管道強度要求時而采用的，并非為了充分利用管道材料性能而采用的，在管道設(shè)計中提高設(shè)計系數(shù)才是為了充分利用管材性能。②穿越地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地段的管道并不一定要用基于應(yīng)變的設(shè)計，采用何種設(shè)計方法取決于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險（概率及一旦災(zāi)害發(fā)生時的載荷大小）、管道的安全性、防止該災(zāi)害發(fā)生的成本以及工程可操作性的比較與平衡，如果能用可接受的成本采取工程措施保證管道在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時的安全性，還是應(yīng)該采用基于應(yīng)力的設(shè)計。③采用基于應(yīng)變的管道強度設(shè)計方法，為滿足式（3），可采取措施降低管道的應(yīng)變水平，包括增加管道壁厚，預(yù)防地震波時采用寬溝、淺埋和土壤換填，預(yù)防斷層滑移時選取合理的管道穿越角度，預(yù)防凍土凍脹融沉?xí)r采用換土或增加差異性過渡段的長度等。同時，也可提高管材承受應(yīng)變的能力，如采用抗大變形鋼。在工程實際中，具體采用何種設(shè)計方法還是必須同時采用兩種方法，應(yīng)考慮管道建設(shè)施工的成本和可行性，并不是采用基于應(yīng)變的強度設(shè)計就必須用抗大變形鋼。