海洋管道結構強度設計課件

1、第四章：海洋管道結構強度設計第四章：海洋管道結構強度設計第四章 結構強度設計4.1 概述4.2 抗內壓設計4.3 抗外壓設計4.4 縱向應力4.5 聯合載荷4.6 屈曲4.7 船舶拋錨和拖網第四章 結構強度設計4.1 概述4.1 概述截面結構形式：單管和雙管（PIP）雙管中內外管的連接：內外管之間可相對作周向運動的套式連接：外管只承受外壓和管道屈曲時的彈性彎曲應力；內管則主要承受內壓和溫度變化引起的應力和應變。內外管之間分段設固定板的連接：外管承受外壓和管道彈性彎曲外，通過固定連接件還與內管一起承受間隔分段傳來的溫度變化引起的應力和應變。局部管段內管和外管在套式連接基礎上，在環(huán)形空間用膠凝材料

2、全線固定連接：可視為單層管結構。4.1 概述截面結構形式：單管和雙管（PIP）4.1 概述內管和外管之間的聯接件支撐板支撐環(huán)密封圈固定支撐板固定支撐環(huán)4.1 概述內管和外管之間的聯接件4.1 概述基本設計原則：管道的使用要求運行條件所處的海洋條件鋪設方法埋設回填最大程度的安全運行4.1 概述基本設計原則：4.1 概述作用于海洋管道的載荷：工作載荷安裝時：重力， 壓力和安裝作用力在位狀態(tài)：重力，壓力， 脹縮力， 預應力環(huán)境載荷風，波浪，潮流，地震，其它環(huán)境偶然載荷：船舶的碰撞，拖網漁具的撞擊和墜落物的撞擊載荷組合管道正常運行狀態(tài)的工作載荷與相應的環(huán)境載荷管道施工安裝，鋪設時的工作載荷相應的環(huán)境載

3、荷管道正常運行狀態(tài)的工作載荷與地震載荷4.1 概述作用于海洋管道的載荷：4.1 概述載荷組合（DNV-OS-F101）4.1 概述載荷組合（DNV-OS-F101）4.1概述海洋管道的破壞形式： 管道過度屈服、屈曲、 疲勞損壞、 脆性斷裂、 韌性斷裂、失穩(wěn)Ductile burstBrittle burst4.1概述海洋管道的破壞形式：Ductile burstBr4.1概述海洋管道極限分析4.1概述海洋管道極限分析4.2 抗內壓設計環(huán)向應力作為管道設計的基礎 ，Barlow(靜力學) （1）DNV 規(guī)范 （2）拉梅方程 （3）4.2 抗內壓設計環(huán)向應力作為管道設計的基礎 ，Barlow4.2

4、 抗內壓設計設計公式，公稱壁厚要保證環(huán)向應力等于或小于某特定數值 （4） 根據Barlow公式，最小壁厚應滿足 （5）考慮制造公差 （6）結合DNV Eq（2） （7）4.2 抗內壓設計設計公式，公稱壁厚要保證環(huán)向應力等于或小于4.2 抗內壓設計例題1：直徑為30in 的管道（鋼）， 內壓20MPa，外壓2MPa， Y=413.75MPa， =0.83，求最小壁厚。4.2 抗內壓設計例題1：4.2 抗內壓設計DNV-OS-F101極限狀態(tài)方法滿足的標準 是屈服應力 是拉伸強度； 是局部偶發(fā)壓強最小壁厚為；4.2 抗內壓設計DNV-OS-F101極限狀態(tài)方法滿足的標4.2 抗內壓設計例題2：直徑

5、為30in 的管道（鋼）， 內壓20MPa，外壓2MPa， Y=413.75MPa， =0.83， =1.138, =1.15，求最小壁厚。4.2 抗內壓設計例題2：4.3 抗外壓設計外壓防坍塌 (DNV-OS-F101) 是橢圓度，一般不小于0.005。管道上任意點的外壓都應滿足（系統壓潰校核）4.3 抗外壓設計外壓防坍塌 (DNV-OS-F101)4.3 抗外壓設計4.3 抗外壓設計4.3 抗外壓設計用迭代法求解初始值4.3 抗外壓設計用迭代法求解4.2 抗外壓設計例題3：直徑為0.219m 的管道（鋼）， 壓潰壓強為42MPa， =413.75MPa， ，根據抗外壓設計求管道壁厚。4.2

6、 抗外壓設計例題3：4.4 縱向應力導致縱向應力的效應：泊松效應和溫度變化環(huán)向應力是靜定的， 對線彈性各向同性材料, 通過應力-應變關系求縱向應變縱向應力4.4 縱向應力導致縱向應力的效應：泊松效應和溫度變化4.4 縱向應力忽略扭轉力和第三主應力，等效應力 von Mises 應力為：4.4 縱向應力忽略扭轉力和第三主應力，等效應力 von M4.4 縱向應力例題4：管道外徑為30in， 壁厚為20.8mm，內壓是18MPa, 且溫度增加了90度， 是2.4 ， 是0.3，求管道受到的縱向應力合力，并求等效應力。4.4 縱向應力例題4：4.5 聯合載荷設計管道受到彎矩、有效軸向力和內壓，橫截面

7、設計應滿足如下要求：適用于 是設計彎矩； 是設計有效軸向力； 是內壓； 是外壓； 是爆破壓；4.5 聯合載荷設計管道受到彎矩、有效軸向力和內壓，橫截面設4.5 聯合載荷設計 應力參數 和 相關的參數。 4.5 聯合載荷設計4.5 聯合載荷設計作業(yè)：外徑是323.9mm的管道，其屈服強度 是448MPa。設計軸向力是320kN，彎矩是650kN.m；若受到的內壓是15MPa， 外壓是2MPa，安全等級系數 ，材料阻力系數 ，求聯合載荷作用下需要滿足結構強度的管道壁厚。4.5 聯合載荷設計作業(yè)：4.5 聯合載荷設計管道受到彎矩、有效軸向力和外壓，橫截面設計應滿足如下要求： 是能承受的最小內壓，安裝

8、時通常取0。 是壓潰壓。 4.5 聯合載荷設計管道受到彎矩、有效軸向力和外壓，橫截面設4.6 屈曲屈曲：管子截面偏平或翹曲折皺超過規(guī)定的限度， 稱為管子屈曲。 按管道上載荷和支撐情況， 可能出現以下幾種屈曲形式：1、整體屈曲：管道或立管像壓桿一樣的屈曲；2、局部屈曲：由于在外壓、 軸向力和彎矩作用下引起的屈曲；3、局部屈曲擴張：由于管道局部屈曲或類似損傷后， 在外壓作用下引起的。 4.6 屈曲屈曲：4.6屈曲整體屈曲：并不是失效模式，但是可能引起其他的失效模式，如局部屈曲，斷裂和疲勞。因此，整體屈曲校核之后，應該對管道進行不同失效模式的校核，稱為管道完整性校核。整體屈曲是對管道受有效軸向壓力的

9、響應，且降低軸向承載能力。有發(fā)生整體屈曲傾向的管道可能是受到高的軸向力或者是管道有低的屈曲能力。從結構上講，高溫高壓(HP/HT)管道的特征就是由于受高溫和內壓而膨脹，從而容易發(fā)生整體屈曲。4.6屈曲整體屈曲：并不是失效模式，但是可能引起其他的失效模4.6屈曲整體屈曲：管道像壓桿一樣屈曲，符合經典歐拉屈曲方程。整體屈曲的誘因：拖網的撞擊；拉引和掛鉤；管道不直。整體屈曲的形式：側向屈曲；向下屈曲；垂直屈曲。4.6屈曲整體屈曲：管道像壓桿一樣屈曲，符合經典歐拉屈曲方程4.6屈曲側向屈曲管道暴露在平坦的海床上適用于控制變形在海床平面內發(fā)生，該變形的發(fā)生可能由于管道的自然非直線度或人為的非直線度。暴露

10、在海床上管道的設計目標是說明管道不會發(fā)生側向屈曲或者發(fā)生了側向屈曲，但是后屈曲構型是可接受的。設計步驟：1）整體屈曲評估：確定管道發(fā)生側向屈曲，隆起或隆起并伴有側向屈曲對溫度和壓強的敏感性。2）管道完整性檢驗：后屈曲構型的彎矩/縱向應變必須可接受，另外要考慮相關的拖網作業(yè)。3）緩解措施檢驗：如果由缺陷或者外部載荷引發(fā)的屈曲導致的局部彎矩/縱向應變太大而不能滿足要求，則應考慮采用緩解措施。4.6屈曲側向屈曲管道暴露在平坦的海床上4.6屈曲向下屈曲管道暴露在崎嶇海底上該情況適用于初始變形發(fā)生在垂直面內，隨后在水平面內發(fā)生變性；亦適用于崎嶇海底和情況的組合，例如曲線海底。通常包括下列三個階段：1）膨

11、脹為自由懸跨；2）在頂部離地，有限離地和最大離地；3）側向不穩(wěn)定性，導致管線側向膨脹。和情況相似的設計步驟。4.6屈曲向下屈曲管道暴露在崎嶇海底上4.6屈曲垂直屈曲埋置管道對于承受有效軸向壓力的埋置管道，如果覆蓋層沒有足夠的阻力，管道可能不穩(wěn)定并且發(fā)生垂直運動離開海底。非直線管道構型會使覆蓋層受到垂直于管到的力。如果垂向力大于覆蓋層的阻力，管道會發(fā)生上舉屈曲。如果管道必須覆蓋，則覆蓋/側向約束應設計成能夠阻止管道的整體屈曲。埋置管道的設計通常分成兩個階段：預安裝階段：目的是預測費用和用石量；安裝階段：目的是保證管道的完整性。4.6屈曲垂直屈曲埋置管道4.6屈曲局部屈曲：表現為整體橫截面的變形，

12、大的累積塑性應變可能會導致局部屈曲，應加以考慮。管道的局部屈曲一般滿足如下的標準：在只有過度的外壓情況下的系統壓潰；在只有過度的外壓情況下的屈曲擴展；聯合載荷標準，例如，外壓或者內壓的相互作用、軸向力和彎曲力矩。4.6屈曲局部屈曲：表現為整體橫截面的變形，大的累積塑性應變4.6屈曲局部屈曲4.6屈曲局部屈曲4.6屈曲屈曲擴張止屈器 （Buckle arrestor）4.6屈曲屈曲擴張4.6屈曲屈曲有限元分析：載荷效應分析應當基于最不利的載荷組合。載荷組合應考慮到與管路系統相關的所有設計相位。通常包括：啟動；運行條件下運行；設計條件下運行；關閉；停止和關斷狀態(tài)。有限元分析應該考慮以材料的非線性材

13、料行為，通過有效地屈服面和硬化規(guī)則考慮材料的非線性和二維（縱向和環(huán)向）應力狀態(tài)。管土相互作用4.6屈曲屈曲有限元分析：4.6屈曲屈曲有限元分析4.6屈曲屈曲有限元分析4.6屈曲止屈器有限元分析4.6屈曲止屈器有限元分析4.7船舶拋錨和拖網有兩種典型的意外載荷情形，能夠給立管、管道和臍帶纜帶來破壞：受到沖擊（例如由于物品墜落）過于受拉/掛鉤鉤?。ɡ缬捎谕暇W板或錨拖?。┻^于受拉和掛鉤鉤住的情形是一個全局彎曲現象，管道的彎曲剛度很重要。典型的管道失效形式是縮進或刺穿管道管壁（對于沖擊載荷）以及過度彎曲（對于過于受拉）。4.7船舶拋錨和拖網有兩種典型的意外載荷情形，能夠給立管、管4.7船舶拋錨和拖網

14、船舶拋錨可能對海底管道造成損傷，可根據DNV-RP-F107規(guī)范對風險進行評估：4.7船舶拋錨和拖網船舶拋錨可能對海底管道造成損傷，可根據D4.7船舶拋錨和拖網破壞級別分類4.7船舶拋錨和拖網破壞級別分類4.7船舶拋錨和拖網可根據DNV-RP-F111規(guī)范對拖網進行分析：拖網分析基本數據要求在計算力以及管道的影響之前，要確定關于預期的沿著管道線路的拖網作業(yè)的基本參數，這些沿著管道線路的參數包括（但不僅限于此）：拖網作業(yè)種類（例如，使用網板拖網或桁拖網的工業(yè)或消耗式作業(yè)，或者是使用配重塊的雙拖網作業(yè)）拖網作業(yè)使用的設備（設備種類，形狀，尺寸，質量，拖網速度）預期的拖網設備跨過管道的頻率拖網設備或頻率可能出現發(fā)展或變化（例如，新的設備，更大的拖船，增加的頻率等），航線需要按照上述的因素進行合理的分段。4.7船舶拋錨和拖網可根據DNV-RP-F111規(guī)范對拖網進4.7船舶拋錨和拖網拖網設備撞擊頻率fimp表達式為：撞擊能量拖網裝置的動能在撞擊的過程中會以以下形式部分或全部耗散：拖網設備的變形電纜保護層的變形涂層的變形管壁的彈性形變和塑性凹陷管道的整體偏移，包括與土的摩擦土的變形4.7船舶拋錨和拖網拖網設備撞擊頻率fimp表達式為：4.7船舶拋錨和拖網拖網撞擊的簡易響應計算脫網版吸收