基于應(yīng)力設(shè)計及基于應(yīng)變的設(shè)計1.doc

基于應(yīng)力設(shè)計及基于應(yīng)變的設(shè)計1.管道設(shè)計和校核的目的管道設(shè)計和校核的目的是根據(jù)管道結(jié)構(gòu)失效的可能模式選擇設(shè)計方法和確定校核的接受準則。2.管道結(jié)構(gòu)失效模式及極限狀態(tài)若以極限狀態(tài)術(shù)語明確表達的所有相關(guān)的失效模式,極限狀態(tài)分成下述4類極限狀態(tài)之一：-適用性極限狀態(tài)(SLS)：如若超出其條件，就致使管道不適合正常運行。-極端極限狀態(tài)(ULS)：如若超出其條件，就危及管道的完整性-疲勞極限狀態(tài)(FLS)：一種由累積循環(huán)載荷效應(yīng)引起的極端極限狀態(tài)。-偶然極限狀態(tài)(ALS)：由于偶然載荷引起的極端極限狀態(tài)。海上管道的極限狀態(tài)適用性極限狀態(tài)-橢園變形/棘輪變形極限狀態(tài);-累積塑性應(yīng)變極限狀態(tài)；和-由于配重涂層造成的損傷或配重涂層的損壞。.極端極限狀態(tài)-爆破極限狀態(tài);-橢園變形/棘輪變形極限狀態(tài)(如造成總體失效);-局部屈曲極限狀態(tài)(管子壁厚屈曲極限狀態(tài));-全面屈曲極限狀態(tài)(通常是受載荷控制的條件);-失穩(wěn)斷裂和塑性擠毀極限狀態(tài)；和-沖擊。疲勞極限狀態(tài)e-由于循環(huán)載荷引致的疲勞。偶然極限狀態(tài)3.管道設(shè)計和校核方法基于強度設(shè)計和基于極限狀態(tài)的可靠性設(shè)計是管道設(shè)計和校核兩種基本的方法。管道的設(shè)計應(yīng)使其能抗材料破壞失效和抗失穩(wěn)。材料破壞失效的類型包括延性、脆性和疲勞破壞失效。延性破壞考慮的是與管道運行安全性和可靠性不相適的條件下造成的管材的過量塑性變形。延性破壞的型式包括擠毀和爆破。失穩(wěn)失效包括擠毀、曲屈等過量塑性變形引起的失穩(wěn)破壞及損傷。主要設(shè)計方法：3.1DNV極限狀態(tài)設(shè)計方法及設(shè)計校核準則應(yīng)按最不利的載荷合成進行設(shè)計.設(shè)計載荷通?？梢员槐硎緸槿缦赂袷剑狠d荷系數(shù)F, E,A, P 和c相應(yīng)于不同安全等級取值不同。設(shè)計抗力Rd，通常可以下述格式表示：特征材料強度 fk,( fy, fu) fy = (SMTS - fy.temp) Ufu = (SMTS - fu.temp)UA、，分別是屈服強度和拉伸強度由于溫度的減低值U ，材料的強度系數(shù)A，各向異性系數(shù)，材料抗力系數(shù) m, 取決于極限狀態(tài)的分類sc取決于安全等級的抗力系數(shù)應(yīng)使設(shè)計載荷效應(yīng)(Ld)不超過設(shè)計抗力(Rd)3.2加拿大CSA Z662強度設(shè)計方法及設(shè)計校核準則應(yīng)力的確定：由于內(nèi)壓、外壓、彎曲、軸向載荷、橢圓度、彎矩、伴隨作用的任何其他應(yīng)力的復(fù)合有效應(yīng)力的最大值應(yīng)利用下述Her，vonMises和Hencky的塑性力學假設(shè)的表達式確定。運行期應(yīng)力的確定，鋼管壁厚的任何腐蝕或磨蝕裕量不應(yīng)被視為最小設(shè)計壁厚的一部分；然而在確定安裝期和初次壓力試驗的應(yīng)力時，這一裕量應(yīng)計入。SC=（Sl2+ Sh2-SlSh+3lh2）0.5式中：SC：最大復(fù)合有效應(yīng)力，MpaSl：總的軸向應(yīng)力，MpaSh：總的環(huán)向應(yīng)力，Mpalh：切向剪切應(yīng)力，Mpa許用應(yīng)力確定：Sca=FST式中Sca：許用應(yīng)力，MpaF：根據(jù)表1要求的設(shè)計系數(shù)S：規(guī)定最低屈服強度，MpaT：溫度系數(shù)（見表2）注：對于溫度不高于120時，T=1.00應(yīng)使最大復(fù)合有效應(yīng)力SC不超過許用應(yīng)力Sca3.3載荷和抗力計算, 基于應(yīng)力的設(shè)計和基于應(yīng)變的設(shè)計3.3.1 載荷條件載荷條件的區(qū)別在于：-載荷控制條件(LC條件)，和-位移控制條件(DC條件).基于應(yīng)力、基于應(yīng)變的不同的設(shè)計和校核方法分別適用于這兩種載荷條件。載荷控制條件：結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要受施加載荷支配的一種載荷條件。位移控制條件：結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要受施加的幾何位移支配的一種載荷條件。載荷控制設(shè)計準則總是可以適用于位移控制設(shè)計準則的場合。一個純位移控制條件的例子是管道彎曲成與J-管或卷筒相一致的連續(xù)曲線結(jié)構(gòu)。在那種情況下，管子軸線被強迫彎曲，導致橢園變形的園周彎曲是由軸線的彎曲和由其引起的內(nèi)力之間的相互作用所確定的。管道與敷管船的船尾托管架卷筒相接觸的例子,在一個相當大的范圍內(nèi)管道的外輪廓必與卷筒相一致，因而其輪廓是受位移控制的。然而在某一區(qū)域范圍內(nèi)，在卷筒之間的管子彎曲是由重力和拉伸力之間的交互作用所確定的，因而管子的彎曲是受載荷控制的。不過在托管架未端管子彎曲將總是受載荷控制的。繞在卷筒上的延伸管軸與海底的接觸的例子，管道由于溫度和壓力引起的伸長在管軸的端部施加個一位移。因而該響應(yīng)主要是受位移控制的。然而橫向阻力對管軸沿海床的移動也是一個重要的作用，并且引起某種程度的載荷控制。這些例子表明在許多情況下載荷控制和位移控制之間可以簡單地區(qū)分的情況并不多見。選擇宜根據(jù)合成載荷的那一種成分是更重要作出判斷?；趹?yīng)變的設(shè)計是對予料會遭受軸向塑性變形環(huán)焊縫(可能包含缺陷)的基本要求。這可以通過保證管體和環(huán)焊縫具有要求的強度和韌性達到。對要求性能規(guī)定值的分析是非常復(fù)雜的。其設(shè)計準則pep累積等效塑性應(yīng),定義為p=(2/3)(pL2+pH2+pR2)1/2式中p，等效塑性應(yīng)變，p L，總縱向應(yīng)變的塑性部分，pH，總周向(環(huán)向)應(yīng)變的塑性部分pR，總徑向應(yīng)變的塑性部分e許用塑性應(yīng)變能力, 定義為:e=C uEL M1-f(R)lh/stC安全系數(shù)UEL均勻伸長率百分數(shù)M焊縫強度匹配系數(shù)R屈強比Lh缺陷長度與深度乘積St含缺陷體積的弧長與壁厚乘積，S取300mm3.3.2材料選擇材料選擇是設(shè)計和校核的一個重要環(huán)節(jié)。a.管道系統(tǒng)用材料應(yīng)依據(jù)對被輸送的流體、載荷、溫度和在安裝和運行期間可能的失效模式的進行選擇。材料的選擇應(yīng)保証管道系統(tǒng)所有構(gòu)件的兼容性。下述材料特性應(yīng)予以考慮：-機械性能,-硬度,-斷裂韌性,-疲勞抗力,-可焊性，和-腐蝕抗力。b.材料的選擇，還應(yīng)包括下述補充要求的識別：DNV-0S-F101海上標準中-酸性使用，補充要求S;- 止裂特性，補充要求F;- 暴露于塑性變形超過2的管道，補充要求P- 提高材料利用率，補充要求U；和-較嚴格的幾何尺寸要求，補充要求D。c. 材料選擇應(yīng)包括管線管無損撿測等級(NDT Level)的選擇，見B.600。管線管NDT等級I是采用位移控制條件局部屈曲準則(基于應(yīng)變的設(shè)計)所要求的3.3.3設(shè)計條件3.3.3.1壓力 管道系統(tǒng)每一區(qū)段的設(shè)計壓力應(yīng)經(jīng)計算規(guī)定，不低于該區(qū)段予計的最大操作壓力；（包括克服靜壓頭、摩檫損失所需的壓力，及任何要求的背向壓力）。3.3.3.2外壓力和載荷 考慮管道敷設(shè)和運行中作用于管道的外壓力和載荷的影響應(yīng)采用成熟的好的工程作法。所選用的管子壁厚應(yīng)提供足夠的強度，防止過度變形和擠毀。應(yīng)考慮力學性能、壁厚的允許偏差、栯園度、管材制造和施工中的冷變形對其抗擠和應(yīng)變時效效應(yīng)的影響。3.3.3.3環(huán)境影響 對于外露管線應(yīng)考慮流體膨脹的壓力效應(yīng)，應(yīng)在需要的地方安裝安全泄壓裝置。管道系統(tǒng)每一區(qū)段的設(shè)計溫度范圍應(yīng)根據(jù)予計的敷設(shè)條件、壓力試驗、起動和運行等條件規(guī)定。對于二氧化碳管道，泄壓或降壓時可能會出現(xiàn)超低溫。膨脹和收縮的熱力載荷 熱脹冷縮的影響設(shè)計時應(yīng)予以規(guī)定。高于敷設(shè)溫度運行的受拘束管道的溫度差(該溫度差應(yīng)等于流體的最高溫度與受拘束處金屬管壁溫度之差)應(yīng)加以限制，以使其在受拘束處的應(yīng)力或應(yīng)變符合設(shè)計準則要求。海上管道管子、構(gòu)件、容積、絕緣涂敷層的重量，風載和其他持久力等對于有支撐的各種情況下管子在壓力試驗和運行時的應(yīng)力分析應(yīng)予考慮。這些附加載荷包括：（a） 偶然的極端載荷，如慣性地震（b） 斜坡移動（c） 斷層移動（d） 與地震相關(guān)的地面移動（e） 融化下沉 （f） 冰凍隆起（g） 失去支撐（h） 極度過載和車輛循環(huán)輾壓(陸上埋地管線尤應(yīng)考慮)（i） 施工和維修時的變形（j） 機械振動（k） 水擊（l） 渦流3.3.3.4外涂層系統(tǒng)外涂層系統(tǒng)有足夠的粘接強度、抗陰極剝離的特性，並考慮其與細菌的交互作用，使