以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及其控制因素

王慶楠++王小寧

摘 要：隨著我國社會(huì)的發(fā)展與我國經(jīng)濟(jì)環(huán)境的需要，近些年來我國的油氣管道運(yùn)輸業(yè)一直處于高速發(fā)展的狀態(tài)下，并且逐漸呈現(xiàn)出長距離、大口徑、高流量與高運(yùn)行壓力的發(fā)展趨勢(shì)。這就要求了各個(gè)油氣管道可以盡可能更好地適應(yīng)環(huán)境的不斷變化。在本文中，作者將會(huì)對(duì)于以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及其控制因素這一話題進(jìn)行一定的討論。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變；管道設(shè)計(jì)；控制因素

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

1 前言

現(xiàn)如今，我國現(xiàn)使用的大多數(shù)管道的設(shè)計(jì)都是以應(yīng)力為基礎(chǔ)的，但是相比而言，在這種設(shè)計(jì)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(qiáng)度問題與管道對(duì)于外界環(huán)境的適應(yīng)問題。所以，一種叫做以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)該得到及時(shí)的應(yīng)用。這樣可以在管道的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中更為有效地對(duì)于管道的各種影響因素進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)性的分析，從而提升管道工程的整體施工質(zhì)量，提升管道使用年限，降低管道的后期維護(hù)費(fèi)用，有利于我國的管道運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，同時(shí)也可以促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的介紹

如果我們將基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則相比較的話，我們可以得出前者是以管道的最小屈服應(yīng)力為載荷極限而進(jìn)行管道設(shè)計(jì)的，而相比之下后者則是建立在極限狀態(tài)下的設(shè)計(jì)思想與位移控制載荷，在管道可能發(fā)生屈服應(yīng)變但不影響其正常功能的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造的，從而能夠充分地發(fā)揮管道的能力，在節(jié)約成本的同時(shí)增加了其的油氣運(yùn)輸效率。

（1）極限狀態(tài)。極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)處于某種動(dòng)能繼續(xù)提供原來提供的功能的一種臨界狀態(tài)（臨界點(diǎn)），并且大多數(shù)情況下，超過這個(gè)臨界點(diǎn)就會(huì)有一定的失效。舉個(gè)例子，一個(gè)管道可以承受外界壓力2000N，所以這個(gè)2000N就是這個(gè)管道承受外界壓力的極限狀態(tài)，如果給其2000.1N的外界壓力，可能其就會(huì)發(fā)生管體斷裂并且造成油氣泄露。但是，事實(shí)上，可能在達(dá)到管體所能承受的極限狀態(tài)之前，管體就會(huì)發(fā)生一定的塑性形變，但不會(huì)引起管體斷裂，使其依然可以正常工作，這就是以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的管道設(shè)計(jì)所允許的情況，但是以應(yīng)力為基礎(chǔ)的管道設(shè)計(jì)所不允許發(fā)生的情況。但是如果在其發(fā)生形變但不斷裂的情況下進(jìn)行工作就意味著可以同時(shí)運(yùn)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(yùn)動(dòng)常常被認(rèn)為是位移載荷。通過位移載荷可以進(jìn)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(shí)際使用的過程中都會(huì)有不同的“副作用”，產(chǎn)生許多的應(yīng)變。對(duì)于以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的管道設(shè)計(jì)來說，主要是將這兩種不同的載荷削減方法的設(shè)計(jì)相互結(jié)合，盡量達(dá)到最好的效果，減少副作用。

3 以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的控制因素

3.1 對(duì)于橢圓化的應(yīng)變極限控制方法

這種變化的控制與相關(guān)數(shù)據(jù)主要是通過公式D/t和彎曲應(yīng)變來獲得的。在大多數(shù)情況下，其彎曲度越高，所允許的管體的橢圓度就越小。同時(shí)，BS8010也曾經(jīng)提出過一個(gè)預(yù)測(cè)橢圓化對(duì)于管體影響的公式，可以進(jìn)行一定的參考，但是經(jīng)過之前科學(xué)家的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種公式在實(shí)際操作應(yīng)用中會(huì)有25%左右的誤差

3.2 “拉伸”應(yīng)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(huán)焊縫的焊接質(zhì)量而決定的。從理論上來說，假設(shè)環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量極高、焊接缺陷小，則管道的不同部分就會(huì)有較高的匹配程度，更像是一個(gè)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(chǎn)生過大的塑性形變。

當(dāng)環(huán)焊縫的焊接出現(xiàn)以下問題時(shí)，“拉伸”的極限應(yīng)變將會(huì)受到一定的影響：焊接裂縫，管體焊接的大小、位置發(fā)生一定的錯(cuò)誤或誤差時(shí)，焊帽高度與焊縫斜角等細(xì)節(jié)處理不當(dāng)，焊縫的匹配度過低（低于15%-20%時(shí)）。

3.3 “壓縮”應(yīng)變極限控制因素

屈曲往往是壓縮最直接的一種體現(xiàn)，最常見的就是管壁起皺但是并沒有影響到管體實(shí)際的應(yīng)用。以下是幾種屈曲的應(yīng)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(jìn)行分析的話，徑厚比D/t對(duì)于管材的影響其實(shí)是最大的。從相關(guān)的研究數(shù)據(jù)中我們可以得到，隨著徑厚比的增加，壓應(yīng)變極限會(huì)有大幅度的減少，但是當(dāng)其大于四十左右的時(shí)候，管體的壓應(yīng)變極限會(huì)有小幅度的反彈。（2）環(huán)焊縫。環(huán)焊縫同樣對(duì)于這一部分也有很大的影響。如果對(duì)于環(huán)焊縫這一方面處理不當(dāng)?shù)脑?，極易降低管道的壓應(yīng)變極限，同時(shí)也會(huì)影響大面積發(fā)生屈曲時(shí)的位置與屈曲的影響嚴(yán)重性。這會(huì)大大地降低實(shí)際使用中管體的質(zhì)量與壓應(yīng)變極限。（3）內(nèi)壓。內(nèi)壓在使用合理的情況下，其本身是有助于防止管體發(fā)生小面積與微型的屈曲，增加其抵抗屈曲的能力，但是對(duì)于內(nèi)壓與臨街應(yīng)變的定量在學(xué)術(shù)界仍然有著一定的爭(zhēng)論，不同的科研工作人員的看法也有著一定的區(qū)別。但是，內(nèi)壓就像是罐裝汽水中的氣體壓力一樣，當(dāng)沒開罐的時(shí)候（有內(nèi)壓的時(shí)候），易拉罐罐壁不易發(fā)生形變（屈曲）。但當(dāng)內(nèi)壓過大的時(shí)候，可能會(huì)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(qū)別。其會(huì)降低管壁抵抗屈曲的能力，同時(shí)還可以傳遞屈曲，增加屈曲的面積與范圍，對(duì)管體造成更大的損傷，使屈曲的塌陷面得以擴(kuò)展。

4 結(jié)束語

總體而言，以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的管道設(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，因?yàn)槠鋵?duì)于設(shè)計(jì)精度與實(shí)際的施工精度要求都會(huì)比較高（因?yàn)槠涔艿来蠖喽际窃诮咏鼧O限狀態(tài)的情況下進(jìn)行工作），施工難度也會(huì)有所提升。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)方案也有其他自身的缺點(diǎn)。但是，只有不斷探索與研究，政府加大對(duì)于科研工作的支持與資金投入，并且結(jié)合我國的管道工作生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行相應(yīng)管道技術(shù)的不斷開發(fā)，我國的管道工程技術(shù)才能領(lǐng)先世界，并且促進(jìn)我國管道運(yùn)輸業(yè)與經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李滄，張崢.壓力管道安裝監(jiān)督檢驗(yàn)中的材料控制[J].石油化工設(shè)備，2006（06）.

[2]周永恒.壓力管道安裝工程中材料的質(zhì)量控制[J].化工設(shè)備與管道，2007（03）.

[3]田東.壓力管道安裝過程的質(zhì)量控制與管理之我見[J].中華民居（下旬刊），2012（12）.

[4] 孫洪勛.壓力管道安裝焊接質(zhì)量控制的系統(tǒng)工作和措施[J].石油和化工設(shè)備，2012（06）.

[5]中國石油集團(tuán)工程沒計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司.GB 50251-2003輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京.中國計(jì)劃出版社，2003，13（06）：123-132.

[6]葉德豐，韓學(xué)承，嚴(yán)大凡等.GB 50253-2003輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2003，8（04）：12-45.