海洋管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)課件

1、第四章：海洋管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)第四章：海洋管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)第四章 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.1 概述4.2 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)4.3 抗外壓設(shè)計(jì)4.4 縱向應(yīng)力4.5 聯(lián)合載荷4.6 屈曲4.7 船舶拋錨和拖網(wǎng)第四章 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.1 概述4.1 概述截面結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)喂芎碗p管（PIP）雙管中內(nèi)外管的連接：內(nèi)外管之間可相對(duì)作周向運(yùn)動(dòng)的套式連接：外管只承受外壓和管道屈曲時(shí)的彈性彎曲應(yīng)力；內(nèi)管則主要承受內(nèi)壓和溫度變化引起的應(yīng)力和應(yīng)變。內(nèi)外管之間分段設(shè)固定板的連接：外管承受外壓和管道彈性彎曲外，通過固定連接件還與內(nèi)管一起承受間隔分段傳來的溫度變化引起的應(yīng)力和應(yīng)變。局部管段內(nèi)管和外管在套式連接基礎(chǔ)上，在環(huán)形空間用膠凝材料

2、全線固定連接：可視為單層管結(jié)構(gòu)。4.1 概述截面結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)喂芎碗p管（PIP）4.1 概述內(nèi)管和外管之間的聯(lián)接件支撐板支撐環(huán)密封圈固定支撐板固定支撐環(huán)4.1 概述內(nèi)管和外管之間的聯(lián)接件4.1 概述基本設(shè)計(jì)原則：管道的使用要求運(yùn)行條件所處的海洋條件鋪設(shè)方法埋設(shè)回填最大程度的安全運(yùn)行4.1 概述基本設(shè)計(jì)原則：4.1 概述作用于海洋管道的載荷：工作載荷安裝時(shí)：重力， 壓力和安裝作用力在位狀態(tài)：重力，壓力， 脹縮力， 預(yù)應(yīng)力環(huán)境載荷風(fēng)，波浪，潮流，地震，其它環(huán)境偶然載荷：船舶的碰撞，拖網(wǎng)漁具的撞擊和墜落物的撞擊載荷組合管道正常運(yùn)行狀態(tài)的工作載荷與相應(yīng)的環(huán)境載荷管道施工安裝，鋪設(shè)時(shí)的工作載荷相應(yīng)的環(huán)境載

3、荷管道正常運(yùn)行狀態(tài)的工作載荷與地震載荷4.1 概述作用于海洋管道的載荷：4.1 概述載荷組合（DNV-OS-F101）4.1 概述載荷組合（DNV-OS-F101）4.1概述海洋管道的破壞形式： 管道過度屈服、屈曲、 疲勞損壞、 脆性斷裂、 韌性斷裂、失穩(wěn)Ductile burstBrittle burst4.1概述海洋管道的破壞形式：Ductile burstBr4.1概述海洋管道極限分析4.1概述海洋管道極限分析4.2 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)環(huán)向應(yīng)力作為管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) ，Barlow(靜力學(xué)) （1）DNV 規(guī)范 （2）拉梅方程 （3）4.2 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)環(huán)向應(yīng)力作為管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) ，Barlow4.2

4、 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)公式，公稱壁厚要保證環(huán)向應(yīng)力等于或小于某特定數(shù)值 （4） 根據(jù)Barlow公式，最小壁厚應(yīng)滿足 （5）考慮制造公差 （6）結(jié)合DNV Eq（2） （7）4.2 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)公式，公稱壁厚要保證環(huán)向應(yīng)力等于或小于4.2 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)例題1：直徑為30in 的管道（鋼）， 內(nèi)壓20MPa，外壓2MPa， Y=413.75MPa， =0.83，求最小壁厚。4.2 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)例題1：4.2 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)DNV-OS-F101極限狀態(tài)方法滿足的標(biāo)準(zhǔn) 是屈服應(yīng)力 是拉伸強(qiáng)度； 是局部偶發(fā)壓強(qiáng)最小壁厚為；4.2 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)DNV-OS-F101極限狀態(tài)方法滿足的標(biāo)4.2 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)例題2：直徑

5、為30in 的管道（鋼）， 內(nèi)壓20MPa，外壓2MPa， Y=413.75MPa， =0.83， =1.138, =1.15，求最小壁厚。4.2 抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)例題2：4.3 抗外壓設(shè)計(jì)外壓防坍塌 (DNV-OS-F101) 是橢圓度，一般不小于0.005。管道上任意點(diǎn)的外壓都應(yīng)滿足（系統(tǒng)壓潰校核）4.3 抗外壓設(shè)計(jì)外壓防坍塌 (DNV-OS-F101)4.3 抗外壓設(shè)計(jì)4.3 抗外壓設(shè)計(jì)4.3 抗外壓設(shè)計(jì)用迭代法求解初始值4.3 抗外壓設(shè)計(jì)用迭代法求解4.2 抗外壓設(shè)計(jì)例題3：直徑為0.219m 的管道（鋼）， 壓潰壓強(qiáng)為42MPa， =413.75MPa， ，根據(jù)抗外壓設(shè)計(jì)求管道壁厚。4.2

6、 抗外壓設(shè)計(jì)例題3：4.4 縱向應(yīng)力導(dǎo)致縱向應(yīng)力的效應(yīng)：泊松效應(yīng)和溫度變化環(huán)向應(yīng)力是靜定的， 對(duì)線彈性各向同性材料, 通過應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系求縱向應(yīng)變縱向應(yīng)力4.4 縱向應(yīng)力導(dǎo)致縱向應(yīng)力的效應(yīng)：泊松效應(yīng)和溫度變化4.4 縱向應(yīng)力忽略扭轉(zhuǎn)力和第三主應(yīng)力，等效應(yīng)力 von Mises 應(yīng)力為：4.4 縱向應(yīng)力忽略扭轉(zhuǎn)力和第三主應(yīng)力，等效應(yīng)力 von M4.4 縱向應(yīng)力例題4：管道外徑為30in， 壁厚為20.8mm，內(nèi)壓是18MPa, 且溫度增加了90度， 是2.4 ， 是0.3，求管道受到的縱向應(yīng)力合力，并求等效應(yīng)力。4.4 縱向應(yīng)力例題4：4.5 聯(lián)合載荷設(shè)計(jì)管道受到彎矩、有效軸向力和內(nèi)壓，橫截面

7、設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求：適用于 是設(shè)計(jì)彎矩； 是設(shè)計(jì)有效軸向力； 是內(nèi)壓； 是外壓； 是爆破壓；4.5 聯(lián)合載荷設(shè)計(jì)管道受到彎矩、有效軸向力和內(nèi)壓，橫截面設(shè)4.5 聯(lián)合載荷設(shè)計(jì) 應(yīng)力參數(shù) 和 相關(guān)的參數(shù)。 4.5 聯(lián)合載荷設(shè)計(jì)4.5 聯(lián)合載荷設(shè)計(jì)作業(yè)：外徑是323.9mm的管道，其屈服強(qiáng)度 是448MPa。設(shè)計(jì)軸向力是320kN，彎矩是650kN.m；若受到的內(nèi)壓是15MPa， 外壓是2MPa，安全等級(jí)系數(shù) ，材料阻力系數(shù) ，求聯(lián)合載荷作用下需要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的管道壁厚。4.5 聯(lián)合載荷設(shè)計(jì)作業(yè)：4.5 聯(lián)合載荷設(shè)計(jì)管道受到彎矩、有效軸向力和外壓，橫截面設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求： 是能承受的最小內(nèi)壓，安裝

8、時(shí)通常取0。 是壓潰壓。 4.5 聯(lián)合載荷設(shè)計(jì)管道受到彎矩、有效軸向力和外壓，橫截面設(shè)4.6 屈曲屈曲：管子截面偏平或翹曲折皺超過規(guī)定的限度， 稱為管子屈曲。 按管道上載荷和支撐情況， 可能出現(xiàn)以下幾種屈曲形式：1、整體屈曲：管道或立管像壓桿一樣的屈曲；2、局部屈曲：由于在外壓、 軸向力和彎矩作用下引起的屈曲；3、局部屈曲擴(kuò)張：由于管道局部屈曲或類似損傷后， 在外壓作用下引起的。 4.6 屈曲屈曲：4.6屈曲整體屈曲：并不是失效模式，但是可能引起其他的失效模式，如局部屈曲，斷裂和疲勞。因此，整體屈曲校核之后，應(yīng)該對(duì)管道進(jìn)行不同失效模式的校核，稱為管道完整性校核。整體屈曲是對(duì)管道受有效軸向壓力的

9、響應(yīng)，且降低軸向承載能力。有發(fā)生整體屈曲傾向的管道可能是受到高的軸向力或者是管道有低的屈曲能力。從結(jié)構(gòu)上講，高溫高壓(HP/HT)管道的特征就是由于受高溫和內(nèi)壓而膨脹，從而容易發(fā)生整體屈曲。4.6屈曲整體屈曲：并不是失效模式，但是可能引起其他的失效模4.6屈曲整體屈曲：管道像壓桿一樣屈曲，符合經(jīng)典歐拉屈曲方程。整體屈曲的誘因：拖網(wǎng)的撞擊；拉引和掛鉤；管道不直。整體屈曲的形式：側(cè)向屈曲；向下屈曲；垂直屈曲。4.6屈曲整體屈曲：管道像壓桿一樣屈曲，符合經(jīng)典歐拉屈曲方程4.6屈曲側(cè)向屈曲管道暴露在平坦的海床上適用于控制變形在海床平面內(nèi)發(fā)生，該變形的發(fā)生可能由于管道的自然非直線度或人為的非直線度。暴露

10、在海床上管道的設(shè)計(jì)目標(biāo)是說明管道不會(huì)發(fā)生側(cè)向屈曲或者發(fā)生了側(cè)向屈曲，但是后屈曲構(gòu)型是可接受的。設(shè)計(jì)步驟：1）整體屈曲評(píng)估：確定管道發(fā)生側(cè)向屈曲，隆起或隆起并伴有側(cè)向屈曲對(duì)溫度和壓強(qiáng)的敏感性。2）管道完整性檢驗(yàn)：后屈曲構(gòu)型的彎矩/縱向應(yīng)變必須可接受，另外要考慮相關(guān)的拖網(wǎng)作業(yè)。3）緩解措施檢驗(yàn)：如果由缺陷或者外部載荷引發(fā)的屈曲導(dǎo)致的局部彎矩/縱向應(yīng)變太大而不能滿足要求，則應(yīng)考慮采用緩解措施。4.6屈曲側(cè)向屈曲管道暴露在平坦的海床上4.6屈曲向下屈曲管道暴露在崎嶇海底上該情況適用于初始變形發(fā)生在垂直面內(nèi)，隨后在水平面內(nèi)發(fā)生變性；亦適用于崎嶇海底和情況的組合，例如曲線海底。通常包括下列三個(gè)階段：1）膨

11、脹為自由懸跨；2）在頂部離地，有限離地和最大離地；3）側(cè)向不穩(wěn)定性，導(dǎo)致管線側(cè)向膨脹。和情況相似的設(shè)計(jì)步驟。4.6屈曲向下屈曲管道暴露在崎嶇海底上4.6屈曲垂直屈曲埋置管道對(duì)于承受有效軸向壓力的埋置管道，如果覆蓋層沒有足夠的阻力，管道可能不穩(wěn)定并且發(fā)生垂直運(yùn)動(dòng)離開海底。非直線管道構(gòu)型會(huì)使覆蓋層受到垂直于管到的力。如果垂向力大于覆蓋層的阻力，管道會(huì)發(fā)生上舉屈曲。如果管道必須覆蓋，則覆蓋/側(cè)向約束應(yīng)設(shè)計(jì)成能夠阻止管道的整體屈曲。埋置管道的設(shè)計(jì)通常分成兩個(gè)階段：預(yù)安裝階段：目的是預(yù)測(cè)費(fèi)用和用石量；安裝階段：目的是保證管道的完整性。4.6屈曲垂直屈曲埋置管道4.6屈曲局部屈曲：表現(xiàn)為整體橫截面的變形，

12、大的累積塑性應(yīng)變可能會(huì)導(dǎo)致局部屈曲，應(yīng)加以考慮。管道的局部屈曲一般滿足如下的標(biāo)準(zhǔn)：在只有過度的外壓情況下的系統(tǒng)壓潰；在只有過度的外壓情況下的屈曲擴(kuò)展；聯(lián)合載荷標(biāo)準(zhǔn)，例如，外壓或者內(nèi)壓的相互作用、軸向力和彎曲力矩。4.6屈曲局部屈曲：表現(xiàn)為整體橫截面的變形，大的累積塑性應(yīng)變4.6屈曲局部屈曲4.6屈曲局部屈曲4.6屈曲屈曲擴(kuò)張止屈器 （Buckle arrestor）4.6屈曲屈曲擴(kuò)張4.6屈曲屈曲有限元分析：載荷效應(yīng)分析應(yīng)當(dāng)基于最不利的載荷組合。載荷組合應(yīng)考慮到與管路系統(tǒng)相關(guān)的所有設(shè)計(jì)相位。通常包括：?jiǎn)?dòng)；運(yùn)行條件下運(yùn)行；設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行；關(guān)閉；停止和關(guān)斷狀態(tài)。有限元分析應(yīng)該考慮以材料的非線性材

13、料行為，通過有效地屈服面和硬化規(guī)則考慮材料的非線性和二維（縱向和環(huán)向）應(yīng)力狀態(tài)。管土相互作用4.6屈曲屈曲有限元分析：4.6屈曲屈曲有限元分析4.6屈曲屈曲有限元分析4.6屈曲止屈器有限元分析4.6屈曲止屈器有限元分析4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)有兩種典型的意外載荷情形，能夠給立管、管道和臍帶纜帶來破壞：受到?jīng)_擊（例如由于物品墜落）過于受拉/掛鉤鉤?。ɡ缬捎谕暇W(wǎng)板或錨拖住）過于受拉和掛鉤鉤住的情形是一個(gè)全局彎曲現(xiàn)象，管道的彎曲剛度很重要。典型的管道失效形式是縮進(jìn)或刺穿管道管壁（對(duì)于沖擊載荷）以及過度彎曲（對(duì)于過于受拉）。4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)有兩種典型的意外載荷情形，能夠給立管、管4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)

14、船舶拋錨可能對(duì)海底管道造成損傷，可根據(jù)DNV-RP-F107規(guī)范對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估：4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)船舶拋錨可能對(duì)海底管道造成損傷，可根據(jù)D4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)破壞級(jí)別分類4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)破壞級(jí)別分類4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)可根據(jù)DNV-RP-F111規(guī)范對(duì)拖網(wǎng)進(jìn)行分析：拖網(wǎng)分析基本數(shù)據(jù)要求在計(jì)算力以及管道的影響之前，要確定關(guān)于預(yù)期的沿著管道線路的拖網(wǎng)作業(yè)的基本參數(shù)，這些沿著管道線路的參數(shù)包括（但不僅限于此）：拖網(wǎng)作業(yè)種類（例如，使用網(wǎng)板拖網(wǎng)或桁拖網(wǎng)的工業(yè)或消耗式作業(yè)，或者是使用配重塊的雙拖網(wǎng)作業(yè)）拖網(wǎng)作業(yè)使用的設(shè)備（設(shè)備種類，形狀，尺寸，質(zhì)量，拖網(wǎng)速度）預(yù)期的拖網(wǎng)設(shè)備跨過管道的頻率拖網(wǎng)設(shè)備或頻率可能出現(xiàn)發(fā)展或變化（例如，新的設(shè)備，更大的拖船，增加的頻率等），航線需要按照上述的因素進(jìn)行合理的分段。4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)可根據(jù)DNV-RP-F111規(guī)范對(duì)拖網(wǎng)進(jìn)4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)拖網(wǎng)設(shè)備撞擊頻率fimp表達(dá)式為：撞擊能量拖網(wǎng)裝置的動(dòng)能在撞擊的過程中會(huì)以以下形式部分或全部耗散：拖網(wǎng)設(shè)備的變形電纜保護(hù)層的變形涂層的變形管壁的彈性形變和塑性凹陷管道的整體偏移，包括與土的摩擦土的變形4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)拖網(wǎng)設(shè)備撞擊頻率fimp表達(dá)式為：4.7船舶拋錨和拖網(wǎng)拖網(wǎng)撞擊的簡(jiǎn)易響應(yīng)計(jì)算脫網(wǎng)版吸收