油气管道韧性设计.pdf

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1、2013年第5期油气管道韧性设计桂浩(美施威尔（上海）有限公司200070)摘要：探索管道韧性的设计理论及其补足；以应变的油气管道防断裂为理论基础，设计可行的方法，把管道的裂纹扩展与应变的数学模型一并建立起来，最后把与管道裂纹失稳扩展相关的临界应变计算模型建立起来。关键词：油气管道，韧性设计，裂纹扩展由下式求得一、引言足够的韧性可以减缓甚至能够阻止管道断裂事的发生，因（4）此在管道系统可靠性及安全性上，韧性设计必然成为了它的其式中，ε为初始状态下缺陷处无缺陷时的应变值。重要指标。着手于最基本的角度，管道的韧性设计最先强调的就（2）缺陷处在无缺陷时的

2、应变值确定是安全性和经济性。对管道缺陷或者裂纹满足管道运行与否的虽然受应力影响导致管道缺陷的应变方向不在同一个方向评估是当前国际上通行的外油气输送管道的设计方法，包括止上，但是应变方向大体上可以分为轴向和径向，那么管道当量应裂韧性准则，应力强度准则以及断口形貌准则等等，这些准则均变值就应该是无缺陷时管道缺陷的应变值，此时的应变主要包基于裂纹断裂失效判断准则。基于上述分析可以发现现行复杂括有：的管道韧性设计方法既不利于计算参数的获取，也不利于管道①对于油气输送管道而言，其应力情况较为复杂，为了便于成本的节约，需要有韧性设计新方法的建立。计算，需要进行

3、一定的简化，那么对于缺陷处的一次应力而言，二、基于应变的管道防断裂设计方法研究与应用主要应该考虑由管道内压而生成的环向应力σh以及温差应力这两种应力σt，管道倘若还受弯曲应力，那么此时还应该考虑弯曲高压、大口径是油气管道的发展趋势，而“先漏后破”准则和应变造成的影响，所以一次应变应为。“先破后漏”准则则成为管道防断裂设计的两大准则。根据这两（5）个准则的分析表明：当输送管道承受的压力越来越高，使用的口式中，αb-由缺陷类型确定的系数。径越来越大时，对材料屈服度的要求也越来越高；高强度的材料②需要高标准的韧性。根据“LBB准则”设计需要承受较高压力的

4、σq指管道的二次应力，ε2为它所生成的残余应变，经厂家所大口径管道就会要求更高韧性的材料，这样也更加安全。下面阐提供的残余应力数据来计算它的数值。产生残余应变的位置包述“LBB准则”在管道防断裂上的应用。括焊缝、递进边热区以及自由边热区等等，它的方向垂直于焊缝2.1、计算模型建立的方向。（1）缺陷尺寸当量化③ε3为因峰值应力而导致的应变，源于几何形状变化而产在断裂力学当中，一般需分析裂纹或者缺陷的扩展过程，裂生的集中应力。由于管道直径发生变化或者方向发生变化，使得纹假设通常将裂纹视为穿透裂纹（源于无限大平板中心），然而管道应力会发生集中，这样的情况

5、需要根据实际进行判断，这里事实上，穿透裂纹在管道上无法出现，由于穿透裂纹就已经意味仅考虑集与管道轴向相垂直的应变。着管道发生了泄漏，因此当量化管道上其他类型的裂纹为穿透（3）裂纹张开位移求取裂纹就非常必要。这样通过现有知识便于使计算步骤简化，在降裂纹张开位移可以根据下式求取低工作量的同时也不使计算的合理性受到影响。如果管道中一（7）条深埋裂纹其深度为a，长度为l，那么其裂纹长度就可非常简便式（7）为日本标准上的公式，此式的优点在于比我国标准更地用椭圆形裂纹转化为当量穿透裂纹长度。加经济。（4）求出材料的临界裂纹张开位移δc（1）一般地，临界裂纹δc

6、的张开位移属于基本型的参数，可通过其中查表及试验得到。（5）评定当δ<δc合格；当δ≥δc缺陷不能接受。（2）如果管道上存在穿透缺陷，则在内压引起的环向应力作用下，穿透裂纹尖端的位移δ为式中，c-裂纹半长，mm。（8）若为表面裂纹，按照压力容器规范，使用F替代上式中的M式中，εs-裂纹屈服应变。因此，当材料的最小裂纹张开位移满足（9）（3）时，就可先泄漏后破坏。式中，l-裂纹长度，mm;t-试件厚度，mm;-无量纲裂纹张开2.2、管道缺陷处无缺陷临界应变值确定位移管道设计时既要保证材料有足够大的裂纹尺寸，也要保证油气管道属于焊接结构，此处求取无量纲

7、裂纹位移，可以足够的安全，因此基于LBB准则就需要选择足够大的材料屈服242工艺管理强度，因为其正比于管道承载能力。如果为基于LBB角。，轴向反力系数。计算管道跨距为多准则而设计的材料最佳性能指标组合，那么选择材料的就应少时既能满足运行要求又可最大限度利用材料?该是最大。如果为给定材料管道的屈服极限，那么根据式（7）即可计算出管道缺陷处无缺陷应变的临界值，此时韧性临界值为管道缺陷的张开位移。（10）由此可得，缺陷处无缺陷时临界应变为（11）由管道宏观应变代替应变值，管道裂纹处无裂纹时的极限应变值理论上可通过式（11）计算。跨越管道和埋地管道的临界轴

8、向应力值均不相同，那么此处临界应变值的甲酸模型应为（1）跨越管道临界应变计算模型通常地，与轴向应变相比，由跨越管段的挠屈而