大口徑薄壁海底管道局部屈曲設計技術研究★

張 先 鋒

(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026)

1 概述

近年，隨著海洋油氣儲運業的發展，海底管道的建設活動越來越多，建成了一些大口徑的海底管道[1]。大口徑海底管道的焊接、施工方法等方面都有較大的進步和發展[2,3]。但是在管道的強度設計分析方面，在現行的海底管道設計標準中[4]，對徑厚比大于45的海底管道都沒有規定明確的設計方法。對大口徑海底管道而言，若要在設計過程中控制管道的徑厚比滿足現有標準的適用條件，需要選擇較大的鋼管壁厚，這將會增加鋼材用量和海上焊接時間，增加工程投資。本研究通過對大口徑薄壁海底管道在彎矩作用下的局部屈曲分析，引入了彎曲抗力系數，建立了彎矩抗力系數與管道徑厚比的關系。

2 大口徑薄壁海底管道局部屈曲模擬

2.1 理論彎矩抗力

海底管道的局部屈曲的理論彎矩抗力為：

Mp=fy×(D-t)2×t。

其中，Mp為塑性彎矩抗力，N；Sp為塑性軸力抗力,N；D為管道外徑,N；t為管道壁厚,N；fy為材料屈服強度，Pa。

將實際彎矩抗力與理論彎矩抗力的比值定義彎矩抗力系數γMP，即：

則內部超壓海底管道局部屈曲校核公式變為：

其中，γm為材料抗力因子，無量綱；γSC為安全等級抗力因子，無量綱；Msd為設計彎矩，N·m；Ssd為設計有效軸力，N；pi為管道內壓，Pa；pe為管道外壓，Pa；MP為塑性彎矩抗力，N·m；SP為塑性軸力抗力，N；pb為承壓抗力，Pa；t2為管道壁厚，m；αc為考慮應變硬化的流動應力參數；αmd為考慮點荷載影響的塑性彎矩抗力折減系數，無量綱；αp為壓力因子，無量綱。

2.2 鋼管本構關系

管道局部屈曲分析中，考慮材料的非線性影響，其應力應變本構關系遵循Ramberg-Osgood模型，即：

其中，ε為總應變，無量綱；σ為應力，Pa；E為彈性模量，Pa；αr為Ramberg-Osgood系數，無量綱；σo為名義屈服應力，Pa；N為Ramberg-Osgood指數，即：

其中，εo為屈服應變，無量綱；σu為最小抗拉強度，Pa；εu為極限強度應變，無量綱。

2.3 有限元分析

采用有限元法分別研究五種管徑φ1 016，φ1 118，φ1 219，φ1 321，φ1 422管道在不同壁厚條件下的局部屈曲失效承載力。管徑與壁厚組合情況見表1。

表1 典型截面組合表 mm

管道有限元模型如圖1所示。

根據對海底管道在彎矩作用下的局部屈曲模擬分析，得出φ1 016，φ1 118，φ1 219，φ1 321，φ1 422管道的實際彎矩抗力見表2～表6。

表2 φ1 016管道彎矩抗力結果

表3 φ1 118管道彎矩抗力結果

表4 φ1 219管道彎矩抗力結果

表5 φ1 321管道彎矩抗力結果

表6 φ1 422管道彎矩抗力結果

根據上述不同管徑、不同徑厚比條件下管道彎矩抗力系數可知，當徑厚比大于45時，管道的局部屈曲彎矩抗力會隨著管道徑厚比的增大而降低，彎矩抗力系數與管道徑厚比的關系如圖2所示。

基于設計包絡線方法，彎矩抗力系數可按下式取值：

3 結論與建議

本研究通過對大口徑薄壁海底管道在彎矩作用下的局部屈曲分析，引入了彎曲抗力系數，建立了彎矩抗力系數與管道徑厚比的關系。研究結果表明，大口徑薄壁海底管道的彎曲抗力系數隨徑厚比的增大而減小。