以應變為基礎的管道設計準則及其控制因素

王慶楠++王小寧

摘 要：隨著我國社會的發展與我國經濟環境的需要，近些年來我國的油氣管道運輸業一直處于高速發展的狀態下，并且逐漸呈現出長距離、大口徑、高流量與高運行壓力的發展趨勢。這就要求了各個油氣管道可以盡可能更好地適應環境的不斷變化。在本文中，作者將會對于以應變為基礎的管道設計準則及其控制因素這一話題進行一定的討論。

關鍵詞：應變；管道設計；控制因素

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.193

1 前言

現如今，我國現使用的大多數管道的設計都是以應力為基礎的，但是相比而言，在這種設計方法中存在著很多的問題與缺陷，不能有效地解決管道的強度問題與管道對于外界環境的適應問題。所以，一種叫做以應變為基礎的管道設計準則應該得到及時的應用。這樣可以在管道的設計過程當中更為有效地對于管道的各種影響因素進行一個系統性的分析，從而提升管道工程的整體施工質量，提升管道使用年限，降低管道的后期維護費用，有利于我國的管道運輸業的不斷發展與進步，同時也可以促進我國的經濟發展。

2 以應變為基礎的管道設計準則的介紹

如果我們將基于應力的設計準則與基于應變的管道設計準則相比較的話，我們可以得出前者是以管道的最小屈服應力為載荷極限而進行管道設計的，而相比之下后者則是建立在極限狀態下的設計思想與位移控制載荷，在管道可能發生屈服應變但不影響其正常功能的情況下進行設計與制造的，從而能夠充分地發揮管道的能力，在節約成本的同時增加了其的油氣運輸效率。

（1）極限狀態。極限狀態是指結構處于某種動能繼續提供原來提供的功能的一種臨界狀態（臨界點），并且大多數情況下，超過這個臨界點就會有一定的失效。舉個例子，一個管道可以承受外界壓力2000N，所以這個2000N就是這個管道承受外界壓力的極限狀態，如果給其2000.1N的外界壓力，可能其就會發生管體斷裂并且造成油氣泄露。但是，事實上，可能在達到管體所能承受的極限狀態之前，管體就會發生一定的塑性形變，但不會引起管體斷裂，使其依然可以正常工作，這就是以應變為基礎的管道設計所允許的情況，但是以應力為基礎的管道設計所不允許發生的情況。但是如果在其發生形變但不斷裂的情況下進行工作就意味著可以同時運輸更多的油氣，提高其工作效率。（2）載荷控制與位移載荷。作用于管道上的載荷減少方法有很多種。壓力載荷一般作為載荷控制，而管道周圍的土壤運動常常被認為是位移載荷。通過位移載荷可以進行幾何形狀的改變將作用在管道上的載荷縮減到零，但載荷控制則不能僅僅通過形狀的改變將載荷減小到零。兩種不同的方法在實際使用的過程中都會有不同的“副作用”，產生許多的應變。對于以應變為基礎的管道設計來說，主要是將這兩種不同的載荷削減方法的設計相互結合，盡量達到最好的效果，減少副作用。

3 以應變為基礎的管道設計準則的控制因素

3.1 對于橢圓化的應變極限控制方法

這種變化的控制與相關數據主要是通過公式D/t和彎曲應變來獲得的。在大多數情況下，其彎曲度越高，所允許的管體的橢圓度就越小。同時，BS8010也曾經提出過一個預測橢圓化對于管體影響的公式，可以進行一定的參考，但是經過之前科學家的試驗發現這種公式在實際操作應用中會有25%左右的誤差

3.2 “拉伸”應變極限的控制因素

拉伸極限主要取決于材料的韌性與管體連接處的環焊縫的焊接質量而決定的。從理論上來說，假設環焊縫的焊接質量極高、焊接缺陷小，則管道的不同部分就會有較高的匹配程度，更像是一個整體，從而可以有效地提高管體自身可以承受的拉伸性變的最大值，避免在管體受壓的情況之下焊縫產生過大的塑性形變。

當環焊縫的焊接出現以下問題時，“拉伸”的極限應變將會受到一定的影響：焊接裂縫，管體焊接的大小、位置發生一定的錯誤或誤差時，焊帽高度與焊縫斜角等細節處理不當，焊縫的匹配度過低（低于15%-20%時）。

3.3 “壓縮”應變極限控制因素

屈曲往往是壓縮最直接的一種體現，最常見的就是管壁起皺但是并沒有影響到管體實際的應用。以下是幾種屈曲的應變極限控制因素：

（1）管體的徑厚比。從管材的幾何特性角度上進行分析的話，徑厚比D/t對于管材的影響其實是最大的。從相關的研究數據中我們可以得到，隨著徑厚比的增加，壓應變極限會有大幅度的減少，但是當其大于四十左右的時候，管體的壓應變極限會有小幅度的反彈。（2）環焊縫。環焊縫同樣對于這一部分也有很大的影響。如果對于環焊縫這一方面處理不當的話，極易降低管道的壓應變極限，同時也會影響大面積發生屈曲時的位置與屈曲的影響嚴重性。這會大大地降低實際使用中管體的質量與壓應變極限。（3）內壓。內壓在使用合理的情況下，其本身是有助于防止管體發生小面積與微型的屈曲，增加其抵抗屈曲的能力，但是對于內壓與臨街應變的定量在學術界仍然有著一定的爭論，不同的科研工作人員的看法也有著一定的區別。但是，內壓就像是罐裝汽水中的氣體壓力一樣，當沒開罐的時候（有內壓的時候），易拉罐罐壁不易發生形變（屈曲）。但當內壓過大的時候，可能會引起易拉罐的爆炸。（4）外壓。無論是從功能與方向上來看，其都與外壓有著幾乎是截然相反的區別。其會降低管壁抵抗屈曲的能力，同時還可以傳遞屈曲，增加屈曲的面積與范圍，對管體造成更大的損傷，使屈曲的塌陷面得以擴展。

4 結束語

總體而言，以應變為基礎的管道設計是一個較為復雜的設計項目，因為其對于設計精度與實際的施工精度要求都會比較高（因為其管道大多都是在接近極限狀態的情況下進行工作），施工難度也會有所提升。同時，這種設計方案也有其他自身的缺點。但是，只有不斷探索與研究，政府加大對于科研工作的支持與資金投入，并且結合我國的管道工作生產實際進行相應管道技術的不斷開發，我國的管道工程技術才能領先世界，并且促進我國管道運輸業與經濟的持續發展。

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