應(yīng)變設(shè)計方法在城市燃氣管網(wǎng)中的應(yīng)用

舒安慶吳開斌

(1.武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所,湖北 武漢 430015;3.武漢市壓力容器壓力管道安全工程研究中心,湖北 武漢 430074)

0 引 言

特種設(shè)備管理核心是安全,而針對其失效模式的研究和設(shè)計則更好預(yù)防事故,保障安全.新的經(jīng)濟形勢和科技發(fā)展水平要求特種設(shè)備的設(shè)計需要兼顧安全和經(jīng)濟性,針對其失效模式的設(shè)計和管理成為特種設(shè)備研究的熱點[1].傳統(tǒng)的燃氣管道設(shè)計主要基于彈性極限設(shè)計準則,防止管道材料發(fā)生彈性失效.但城市燃氣管道具有如下特征:1)城市管網(wǎng)敷設(shè)在地下,違章占壓燃氣管道占了很大比重,并且整治的難度較大；2)有的城市處在地震帶上,地震引起的地質(zhì)災(zāi)害如塌陷、斷層、滑坡也將造成城市地面永久變形,導(dǎo)致城市埋地管道的破壞；3)有些城市地下水開采過度形成采空區(qū),引起地表塌陷；4)車輛疲勞載荷等造成管線上方蓋板被壓塌或壓彎,焊接點、閥門等處損壞.這些喻為城市生命線的燃氣管道的失效形式主要包括腐蝕、過度變形、泄露、疲勞、韌性斷裂等,其失效最終表現(xiàn)產(chǎn)生大的塑性變形,變形量的大小受管道外部環(huán)境的約束和內(nèi)外壓力的影響,用彈性極限設(shè)計準則已不能滿足實際要求,應(yīng)根據(jù)實際需要承受的最大變形來設(shè)計燃氣壓力管道.我國成功研制抗大變形管線鋼[2],壓力管道自動化焊接使得焊接質(zhì)量大幅提高[3],燃氣管道焊接和缺陷的試驗與有限元模擬為更加精確的設(shè)計方法提供了依據(jù)[4-6].本文從應(yīng)變極限、局部屈服與強度匹配、疲勞載荷的累積應(yīng)變等設(shè)計要求闡述其對城市燃氣管網(wǎng)建設(shè)的重要意義.

1 理論依據(jù)

傳統(tǒng)的設(shè)計方法通常以承受工作條件下的內(nèi)壓所需的管道承載能力為基礎(chǔ),管道正常運行條件下的環(huán)向應(yīng)力必須小于其最小屈服應(yīng)力與安全系數(shù)的比值.針對城市管道的大變形失效模式,基于應(yīng)變的設(shè)計可以滿足管道設(shè)計要求.

基于應(yīng)變設(shè)計的假設(shè)管道的變形程度跟周圍環(huán)境位移相一致,周圍環(huán)境的位移等于管道變形,其次管道的變形是受外部環(huán)境的位移控制,當外部環(huán)境的位移一定時,不同的管材,管道的塑性變形不能以相同的應(yīng)力作為設(shè)計準則,因為不同管材在相同應(yīng)力下的應(yīng)變是不相同的,最大應(yīng)變預(yù)測設(shè)計更滿足實際管道變形要求.

按產(chǎn)生應(yīng)變的不同方式把設(shè)計控制準則分載荷控制、位移控制及兩者的綜合,應(yīng)變的極限狀態(tài)設(shè)計主要考慮的載荷作用包括:內(nèi)外壓力載荷、土壤運動載荷、受約束條件下的熱應(yīng)力、局部彎曲載荷、預(yù)載荷等,并且不涉及腐蝕應(yīng)力影響.基于應(yīng)變的設(shè)計方法就是討論在上述載荷條件下管道的拉、壓極限應(yīng)變、局部強度的匹配性、疲勞累積應(yīng)變大小.

2 應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)變設(shè)計

在惡劣的地質(zhì)條件和違章占壓環(huán)境中,要保證管道安全服役和結(jié)構(gòu)完整性,必須在設(shè)計時控制管道的極限拉伸和壓縮應(yīng)變,尤其是抗縱向應(yīng)變的能力.應(yīng)變設(shè)計準則要求管道最大極限拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變ε≤10%,但管道的常見失效形式為局部屈服失效,尤其是局部的縱向拉伸應(yīng)變,內(nèi)壓作用下最大縱向臨界應(yīng)變 參考計算公式[7]:

(1)

外壓作用下極限縱向臨界應(yīng)變 參考計算公式[7]:

(2)

對于一次載荷,上面的計算結(jié)果較為精確,當受二次載荷作用時,許用應(yīng)變值可以取得比一次載荷變形稍大,但不能大于1.5%.

3 焊縫周圍局部屈服狀態(tài)的應(yīng)變設(shè)計

由于外部載荷作用復(fù)雜,如何阻止焊縫周圍的局部屈服是極限應(yīng)變狀態(tài)設(shè)計的重點.在焊縫的鄰域內(nèi),由于焊材與管材的強度不匹配、焊接熱應(yīng)力、焊接缺陷、腐蝕缺陷等造成應(yīng)力集中.應(yīng)力集中系數(shù)與材料接口的形狀、壁厚的匹配、焊縫的均勻度、管道的橢圓度、強度的匹配相關(guān).彈性應(yīng)力集中系數(shù)用Neuber方法確定[8].

(3)

式(3)中：k為理論應(yīng)力集中系數(shù)；E為彈性模量；ε為接口根部的等效應(yīng)變；σ為接口根部的等效應(yīng)力；s為遠離接口處的等效應(yīng)力.

研究表明,焊縫強度與母材強度之間為過匹配,即焊縫強度應(yīng)當高于管道母材,使拉伸應(yīng)變得以在鋼管上累積形成大變形,過匹配的程度以5%～10%為宜[5].焊材強度σ取值范圍在管材的σSMYK+80 MPa<σ<σSMYS+250 MPa之間,存在累積塑性變形Δε≥2%時,焊材強度最大值不超過σSMYS+200 MPa.焊縫周圍壁厚匹配應(yīng)滿足不超過壁厚10%且相鄰壁厚差≤3 mm.改變材料中的成分(增加鈮、鋁含量)或改變其徑厚比(D/t)可以增強焊接熱應(yīng)力抗性.采用合適的焊劑和焊接工藝(螺旋焊)可以減少焊接中的缺陷.

局部屈服下管道的橢圓度將發(fā)生變化,而管道的橢圓度的設(shè)計應(yīng)滿足管內(nèi)流體流量和管道檢測設(shè)備的正常檢測.對于橢圓度參數(shù)Dθ的計算如下:

Dθ=2(Dmax-Dmin)/(Dmax+Dmin)

(4)

式(4)中：Dmax為管道最大外徑；Dmin為管道最小外徑.

為滿足正常檢測需要,要求橢圓度的變形不超過6%,外壓作用的橢圓度變形應(yīng)不超過3%；內(nèi)壓鼓脹變形不超過2.5%.

4 疲勞載荷累積變形下的應(yīng)變設(shè)計

對于車輛周期載荷下管道的變形主要屬于疲勞累積變形,對于疲勞累積應(yīng)變計算方法如下[9]:

Δε=0.055N-0.4(Δε>0.002)

(5)

Δε=0.016N-0.25(Δε<0.002)

(6)

式(5)、(6)中：N為循環(huán)次數(shù).

5 結(jié) 語

a. 城市天然氣供給管網(wǎng)系統(tǒng)是城市能源生命線,一旦泄漏、爆炸等惡性事故,將造成巨大生命財產(chǎn)損失.現(xiàn)行的燃氣管道的設(shè)計方法是針對強度失效模式,不太適合城市復(fù)雜的使用條件,基于應(yīng)變的設(shè)計方法更能滿足安全和經(jīng)濟性要求.

b. 基于應(yīng)變的設(shè)計可以充分利用材料的機械性能,提高管道抗壓縮和縱向變形的能力,降低管道在安裝、服役期間產(chǎn)生的局部變形的影響,延長管道的安全壽命,防止和減少事故發(fā)生,提高在惡劣環(huán)境中管道的安全水平,保障服役期間管道的安全可靠性.

c. 不同地質(zhì)條件在外載荷下可能產(chǎn)生最大應(yīng)變變形是設(shè)計參數(shù)選取的關(guān)鍵,采用新的材料、新焊接工藝可以更好的保證城市燃氣管道的安全性能.

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