管道的穩(wěn)定性應(yīng)力分析及解決方案

管道的穩(wěn)定性應(yīng)力分析及解決方案一、失穩(wěn)的定義失穩(wěn)定義：軸向受壓的細(xì)長直桿當(dāng)壓力過大時，可能會突然變彎，失去原來直線形式的平衡狀態(tài)，而喪失繼續(xù)承載的能力，稱這種現(xiàn)象為喪失穩(wěn)定，即失穩(wěn)。針對管道，下面發(fā)生的問題均為管道整體失穩(wěn)：1、架空管道（左右擺龍）：2、埋地管道（頂起，頂出地面，河面，起褶皺）架空或埋地管道發(fā)生失穩(wěn)的原因是管道熱脹被兩側(cè)錨固，或連續(xù)土壤約束給限制住了，導(dǎo)致管道形成擠壓作用，如果溫差大，擠壓力大，架空管道缺少導(dǎo)向架，或埋地管道埋深覆土過淺，就會讓管道抵抗擠壓能力變?nèi)酰菀装l(fā)生上述失穩(wěn)。解決方法：解決上述管道失穩(wěn)有兩個辦法，一個是采用補償設(shè)計增大管道柔性，降低軸力；另外一個就是增加導(dǎo)向架密度和埋深，增大管道抗擠壓能力。局部失穩(wěn)的概念局部失穩(wěn)指在鋼結(jié)構(gòu)中，受壓、受彎、受剪或在復(fù)雜應(yīng)力下的板件由于寬厚比過大，板件發(fā)生屈曲的現(xiàn)象。管道局部失穩(wěn)主要是針對大口徑薄壁管道，軸向擠壓嚴(yán)重，發(fā)生局部褶皺，也有外壓影響，管道環(huán)向發(fā)生失穩(wěn)，產(chǎn)生壓癟現(xiàn)象：熱力直埋管道在軸向擠壓作用下發(fā)生褶皺（中國熱力俗稱“起包”），是因為管道被約束?。▋啥斯潭?，或處在埋地錨固段），熱脹產(chǎn)生的軸力擠壓管道，管道徑厚比r/t過大，壁厚薄，抗擠壓能力弱，就容易發(fā)生上面局部失穩(wěn)情況。解決的方法是增大管道柔性降低軸力或加大壁厚增加抗擠壓能力。針對環(huán)向外壓壓癟失穩(wěn)，最好的辦法就是在管道外壁增設(shè)補強圈，抵抗外壓作用，避免發(fā)生外壓失穩(wěn)。還有一種局部失穩(wěn)，就是管道在軸力推擠和彎曲應(yīng)力共同作用下，一側(cè)產(chǎn)生褶皺：這種一側(cè)發(fā)生管道褶皺，往往都是發(fā)生在折角彎管或彎管附近直管上面，直線管道熱脹推壓彎管，彎管發(fā)生彎曲變形，由于直管推壓導(dǎo)致大彎曲應(yīng)力作用，弧段發(fā)生失穩(wěn)，就會進(jìn)入塑性變形，產(chǎn)生一側(cè)褶皺變形。這個折角弧段失穩(wěn)，不同于引發(fā)管疲勞破壞的二次應(yīng)力。首先，它是重量+溫度+壓力等全部載荷共同作用下，導(dǎo)致折角弧段或直段發(fā)生失穩(wěn)破壞。失穩(wěn)控制是第一位的，這個滿足后，我們才會檢查彎頭，折角和三通的疲勞二次應(yīng)力。管道熱脹導(dǎo)致活動段發(fā)生運動，對折角弧段或彎頭發(fā)生擠壓及彎曲，首先必須保證熱態(tài)全載荷作用下不發(fā)生失穩(wěn)，其次是熱態(tài)-冷態(tài)來回循環(huán)變化應(yīng)力范圍要滿足安定性要求，確保疲勞壽命的滿足。可能很多人誤認(rèn)為彎頭變形是溫度熱脹引發(fā)的，溫度引發(fā)的就是二次應(yīng)力，二次應(yīng)力就得按安定性原則來控制，這是錯誤的。管道熱脹對折角彎頭或弧管有兩個破壞作用，一個是引發(fā)弧管失穩(wěn)，產(chǎn)生褶皺；另外一個就是如果不發(fā)生失穩(wěn)，冷熱循環(huán)導(dǎo)致二次應(yīng)力，對彎管或彎頭產(chǎn)生疲勞破壞。一個原因，引發(fā)兩個不同的結(jié)果。不允許發(fā)生失穩(wěn)，也不允許二次應(yīng)力超標(biāo)產(chǎn)生疲勞破壞。解決的方法：要想避免一側(cè)彎管起褶皺，就得增大管道柔性，折角位置控制熱態(tài)彎曲應(yīng)力水平，埋地管道在折角附近做松軟回填或包裹，增大折角位置柔性，釋放熱脹推力。不讓發(fā)生失穩(wěn)，降低軸力和彎矩，增加柔性就可以。這和改進(jìn)管道柔性是一回事。節(jié)點熱態(tài)應(yīng)力超標(biāo)，而二次應(yīng)力不超標(biāo)，而熱態(tài)OPE應(yīng)力超標(biāo)。這個警告客戶軸向力擠壓和折角彎將要發(fā)生塑性失穩(wěn)變形，起褶皺。這不是疲勞問題，不是我們平時考慮的二次應(yīng)力問題。是折角彎失穩(wěn)問題。二、穩(wěn)定性問題和強度問題的區(qū)別穩(wěn)定問題是一個變形問題，一個構(gòu)件的變形大或小取決于整個構(gòu)件的剛度，而不是取決于某一特定截面，穩(wěn)定問題是針對整個構(gòu)件的，結(jié)構(gòu)是由各個桿件組成的一個整體。當(dāng)一個桿件發(fā)生失穩(wěn)變形后，它必然牽動和它剛性連接的其他桿件，桿件的穩(wěn)定性不能就某一根桿件去孤立地分析，而應(yīng)當(dāng)考慮其他桿件對它的約束作用。這種約束作用是要從結(jié)構(gòu)的整體分析來確定的，這就是穩(wěn)定的整體性問題。強度問題是指由作用對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的截面最大內(nèi)力或截面上某點的最大應(yīng)力是否超過截面的承載能力或材料的強度。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算與強度計算的最大不同是計算要在結(jié)構(gòu)變形后的幾何形狀和位置進(jìn)行，其方法屬于幾何非線性范疇，疊加原理不再適用舉個例子：建筑工地上常見的塔吊。垂直立柱受壓，他的主要問題就是承受壓應(yīng)力的穩(wěn)定性問題，他的截面和長度（長細(xì)比）和他中間的導(dǎo)向架決定了他的抗壓能力；但橫梁和斜撐，以及所有節(jié)點不是受拉，就是受彎或受剪力和扭矩，都是強度問題。三、如何區(qū)別強度問題和穩(wěn)定性問題1、破壞形式不同。強度破壞是承壓問題，承重跨度問題，溫度導(dǎo)致熱脹管道柔性問題。這些問題主要導(dǎo)致管道垮塌，爆裂和疲勞壽命縮短產(chǎn)生裂紋破壞等。管道穩(wěn)定破壞是結(jié)構(gòu)問題，是管道形狀維持不住，整體失穩(wěn)導(dǎo)致管道左右擺龍，干擾附近管道和擋土墻；局部失穩(wěn)一旦發(fā)生，就會進(jìn)入塑性大變形，這時管道已經(jīng)從失穩(wěn)進(jìn)入破壞形狀后的塑性變形，導(dǎo)致通流通道縮小，管道產(chǎn)生應(yīng)力從壓應(yīng)力變成彎拉和壓應(yīng)力，嚴(yán)重會導(dǎo)致管道斷裂，否則應(yīng)力水平高會誘發(fā)應(yīng)力腐蝕，加速管道腐蝕減薄作用。2、分析方法不同：管道強度問題，都是按應(yīng)力分類法，進(jìn)行載荷分類，獲得規(guī)范應(yīng)力，依據(jù)強度原則進(jìn)行比較控制應(yīng)力水平。主要是控制承壓壁厚，一次應(yīng)力（壓力+重量載荷引發(fā)），二次應(yīng)力（溫度引發(fā)變形導(dǎo)致），以及偶然應(yīng)力控制（偶然載荷引發(fā)）。穩(wěn)定性都是全載荷（重量+壓力+溫度）共同作用，長直管道主要是軸力和導(dǎo)向約束，埋深；折角位置，主要是軸應(yīng)力+彎應(yīng)力（一側(cè)拉，一側(cè)壓）；局部失穩(wěn)，主要是檢查軸力，埋深和徑厚比的關(guān)系。3、判斷原則不同：強度問題都是進(jìn)基于許用應(yīng)力控制，承壓和承重都是用一倍許用應(yīng)力來控制；溫度產(chǎn)生彎矩作用在彎頭和三通處，產(chǎn)生疲勞破壞，通過安定性原則或疲勞曲線來控制許用應(yīng)力。而穩(wěn)定性是通過臨界許用壓應(yīng)力來控制的。臨界許用壓應(yīng)力大小是管道幾何結(jié)構(gòu)和臨近約束條件決定的。再次重申，許用壓應(yīng)力和屈服強度沒有任何關(guān)系，和安定性也沒有任何關(guān)系，國內(nèi)區(qū)域供熱CJJ81規(guī)范編制人和有些人一直在錯誤解釋熱水直埋管道錨固段失效破壞原因和失效控制原則，用屈服應(yīng)力折算溫差-稱作“屈服溫差”解釋失穩(wěn)，誤認(rèn)為受壓失穩(wěn)控制在，用安定性原則來做失穩(wěn)許用壓應(yīng)力。屈服強度是材料拉伸特性，我們都是通過屈服強度和拉伸極限結(jié)合安全系數(shù)獲得許用應(yīng)力。許用應(yīng)力都是用在承壓和承重強度控制上。安定性是針對彎頭和三通在熱脹載荷作用下發(fā)生彎曲，扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力允許大變形（彈-塑性），采用三倍許用應(yīng)力的控制疲勞應(yīng)力方法。管道承壓，承重和柔性設(shè)計都是強度問題，不是穩(wěn)定性問題。四、如何控制失穩(wěn)根據(jù)材料力學(xué)的基本理論之一-歐拉公式，壓桿是否會產(chǎn)生失穩(wěn)，與壓桿的長細(xì)比及抗彎剛度有關(guān)。在長直管道上，多增設(shè)導(dǎo)向架（相當(dāng)于減小管段長度）、通過走向優(yōu)化減少管道系統(tǒng)外載（軸向力），都可以避免失穩(wěn)的發(fā)生。壓力管道系統(tǒng)功能是安全輸送工藝介質(zhì)，滿足工藝要求，確保系統(tǒng)安全。壓力管道不允許發(fā)生強度問題，不允許發(fā)生撓度過大變形，也不允許發(fā)生穩(wěn)定性問題。這就是我們俗稱的管道要滿足“強度”，“剛度”和穩(wěn)定性“三個控制要求，只有這樣，才能保證管道安全，壽命長久，應(yīng)力腐蝕得到有效控制等。近年來，國內(nèi)各行業(yè)管道建設(shè)速度快，規(guī)模大，復(fù)雜度高，各種事故頻發(fā)。也出現(xiàn)失穩(wěn)破壞事故增多，很多人不了解失穩(wěn)，分不清折角弧段失穩(wěn)和疲勞二次應(yīng)力區(qū)別，對局部失穩(wěn)（大口徑埋地管道升溫時，發(fā)出巨響）不清楚，失穩(wěn)導(dǎo)致管道發(fā)生形變，多數(shù)情況下埋地管道不會被人們發(fā)現(xiàn)，除非做內(nèi)檢驗或泄露發(fā)生，但這些需要一定時間才能覺察到，即便發(fā)現(xiàn)，運營人員也不知道解決和避免方法。管道失穩(wěn)，起褶皺給后面的承壓和柔性等強度問題都帶來了未知變量，給運行高度埋下事故隱患。避免管道失穩(wěn)，從根本上講，我們必須了解帶有溫度的管道需要柔性設(shè)計，釋放熱載。無論埋地還是架空敷設(shè)熱輸管道都要考慮溫度補償，進(jìn)行柔性設(shè)計