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1、第四章：海洋管道结构强度设计,第四章：海洋管道结构强度设计,第四章 结构强度设计,4.1 概述4.2 抗内压设计4.3 抗外压设计4.4 纵向应力4.5 联合载荷4.6 屈曲4.7 船舶抛锚和拖网,第四章 结构强度设计4.1 概述,4.1 概述,截面结构形式：单管和双管（PIP）双管中内外管的连接：内外管之间可相对作周向运动的套式连接：外管只承受外压和管道屈曲时的弹性弯曲应力；内管则主要承受内压和温度变化引起的应力和应变。内外管之间分段设固定板的连接：外管承受外压和管道弹性弯曲外，通过固定连接件还与内管一起承受间隔分段传来的温度变化引起的应力和应变。局部管段内管和外管在套式连接基础上，在环形空
2、间用胶凝材料全线固定连接：可视为单层管结构。,4.1 概述截面结构形式：单管和双管（PIP）,4.1 概述,内管和外管之间的联接件支撑板支撑环密封圈固定支撑板固定支撑环,4.1 概述内管和外管之间的联接件,4.1 概述,基本设计原则：管道的使用要求运行条件所处的海洋条件铺设方法埋设回填最大程度的安全运行,4.1 概述基本设计原则：,4.1 概述,作用于海洋管道的载荷：工作载荷安装时：重力， 压力和安装作用力在位状态：重力，压力， 胀缩力， 预应力环境载荷风，波浪，潮流，地震，其它环境偶然载荷：船舶的碰撞，拖网渔具的撞击和坠落物的撞击载荷组合管道正常运行状态的工作载荷与相应的环境载荷管道施工安装
3、，铺设时的工作载荷相应的环境载荷管道正常运行状态的工作载荷与地震载荷,4.1 概述作用于海洋管道的载荷：,4.1 概述,载荷组合（DNV-OS-F101）,4.1 概述载荷组合（DNV-OS-F101）,4.1概述,海洋管道的破坏形式： 管道过度屈服、屈曲、 疲劳损坏、 脆性断裂、 韧性断裂、失稳,Ductile burst,Brittle burst,4.1概述海洋管道的破坏形式：Ductile burstBr,4.1概述,海洋管道极限分析,4.1概述海洋管道极限分析,4.2 抗内压设计,环向应力作为管道设计的基础 ，Barlow(静力学) （1）DNV 规范 （2）拉梅方程 （3）,4.2
4、 抗内压设计环向应力作为管道设计的基础 ，Barlow,4.2 抗内压设计,设计公式，公称壁厚要保证环向应力等于或小于某特定数值 （4） 根据Barlow公式，最小壁厚应满足 （5）考虑制造公差 （6）结合DNV Eq（2） （7）,4.2 抗内压设计设计公式，公称壁厚要保证环向应力等于或小于,4.2 抗内压设计,例题1：直径为30in 的管道（钢）， 内压20MPa，外压2MPa， Y=413.75MPa， =0.83，求最小壁厚。,4.2 抗内压设计例题1：,4.2 抗内压设计,DNV-OS-F101极限状态方法满足的标准 是屈服应力 是拉伸强度； 是局部偶发压强最小壁厚为,；,4.2 抗
5、内压设计DNV-OS-F101极限状态方法满足的标,4.2 抗内压设计,例题2：直径为30in 的管道（钢）， 内压20MPa，外压2MPa， Y=413.75MPa， =0.83， =1.138, =1.15，求最小壁厚。,4.2 抗内压设计例题2：,4.3 抗外压设计,外压防坍塌 (DNV-OS-F101) 是椭圆度，一般不小于0.005。管道上任意点的外压都应满足（系统压溃校核）,4.3 抗外压设计外压防坍塌 (DNV-OS-F101),4.3 抗外压设计,4.3 抗外压设计,4.3 抗外压设计,用迭代法求解初始值,4.3 抗外压设计用迭代法求解,4.2 抗外压设计,例题3：直径为0.2
6、19m 的管道（钢）， 压溃压强为42MPa， =413.75MPa， ，根据抗外压设计求管道壁厚。,4.2 抗外压设计例题3：,4.4 纵向应力,导致纵向应力的效应：泊松效应和温度变化环向应力是静定的， 对线弹性各向同性材料, 通过应力-应变关系求纵向应变纵向应力,4.4 纵向应力导致纵向应力的效应：泊松效应和温度变化,4.4 纵向应力,忽略扭转力和第三主应力，等效应力 von Mises 应力为：,4.4 纵向应力忽略扭转力和第三主应力，等效应力 von M,4.4 纵向应力,例题4：管道外径为30in， 壁厚为20.8mm，内压是18MPa, 且温度增加了90度， 是2.4 ， 是0.3
7、，求管道受到的纵向应力合力，并求等效应力。,4.4 纵向应力例题4：,4.5 联合载荷设计,管道受到弯矩、有效轴向力和内压，横截面设计应满足如下要求：适用于 是设计弯矩； 是设计有效轴向力； 是内压； 是外压； 是爆破压；,4.5 联合载荷设计管道受到弯矩、有效轴向力和内压，横截面设,4.5 联合载荷设计,应力参数 和 相关的参数。,4.5 联合载荷设计,4.5 联合载荷设计,作业：外径是323.9mm的管道，其屈服强度 是448MPa。设计轴向力是320kN，弯矩是650kN.m；若受到的内压是15MPa， 外压是2MPa，安全等级系数 ，材料阻力系数 ，求联合载荷作用下需要满足结构强度的管
8、道壁厚。,4.5 联合载荷设计作业：,4.5 联合载荷设计,管道受到弯矩、有效轴向力和外压，横截面设计应满足如下要求： 是能承受的最小内压，安装时通常取0。 是压溃压。,4.5 联合载荷设计管道受到弯矩、有效轴向力和外压，横截面设,4.6 屈曲,屈曲：管子截面偏平或翘曲折皱超过规定的限度， 称为管子屈曲。 按管道上载荷和支撑情况， 可能出现以下几种屈曲形式：1、整体屈曲：管道或立管像压杆一样的屈曲；2、局部屈曲：由于在外压、 轴向力和弯矩作用下引起的屈曲；3、局部屈曲扩张：由于管道局部屈曲或类似损伤后， 在外压作用下引起的。,4.6 屈曲屈曲：,4.6屈曲,整体屈曲：并不是失效模式，但是可能引
9、起其他的失效模式，如局部屈曲，断裂和疲劳。因此，整体屈曲校核之后，应该对管道进行不同失效模式的校核，称为管道完整性校核。整体屈曲是对管道受有效轴向压力的响应，且降低轴向承载能力。有发生整体屈曲倾向的管道可能是受到高的轴向力或者是管道有低的屈曲能力。从结构上讲，高温高压(HP/HT)管道的特征就是由于受高温和内压而膨胀，从而容易发生整体屈曲。,4.6屈曲整体屈曲：并不是失效模式，但是可能引起其他的失效模,4.6屈曲,整体屈曲：管道像压杆一样屈曲，符合经典欧拉屈曲方程。整体屈曲的诱因：拖网的撞击；拉引和挂钩；管道不直。整体屈曲的形式：侧向屈曲；向下屈曲；垂直屈曲。,4.6屈曲整体屈曲：管道像压杆一
10、样屈曲，符合经典欧拉屈曲方程,4.6屈曲,侧向屈曲管道暴露在平坦的海床上适用于控制变形在海床平面内发生，该变形的发生可能由于管道的自然非直线度或人为的非直线度。暴露在海床上管道的设计目标是说明管道不会发生侧向屈曲或者发生了侧向屈曲，但是后屈曲构型是可接受的。设计步骤：1）整体屈曲评估：确定管道发生侧向屈曲，隆起或隆起并伴有侧向屈曲对温度和压强的敏感性。2）管道完整性检验：后屈曲构型的弯矩/纵向应变必须可接受，另外要考虑相关的拖网作业。3）缓解措施检验：如果由缺陷或者外部载荷引发的屈曲导致的局部弯矩/纵向应变太大而不能满足要求，则应考虑采用缓解措施。,4.6屈曲侧向屈曲管道暴露在平坦的海床上,4
11、.6屈曲,向下屈曲管道暴露在崎岖海底上该情况适用于初始变形发生在垂直面内，随后在水平面内发生变性；亦适用于崎岖海底和情况的组合，例如曲线海底。通常包括下列三个阶段：1）膨胀为自由悬跨；2）在顶部离地，有限离地和最大离地；3）侧向不稳定性，导致管线侧向膨胀。和情况相似的设计步骤。,4.6屈曲向下屈曲管道暴露在崎岖海底上,4.6屈曲,垂直屈曲埋置管道对于承受有效轴向压力的埋置管道，如果覆盖层没有足够的阻力，管道可能不稳定并且发生垂直运动离开海底。非直线管道构型会使覆盖层受到垂直于管到的力。如果垂向力大于覆盖层的阻力，管道会发生上举屈曲。如果管道必须覆盖，则覆盖/侧向约束应设计成能够阻止管道的整体屈
12、曲。埋置管道的设计通常分成两个阶段：预安装阶段：目的是预测费用和用石量；安装阶段：目的是保证管道的完整性。,4.6屈曲垂直屈曲埋置管道,4.6屈曲,局部屈曲：表现为整体横截面的变形，大的累积塑性应变可能会导致局部屈曲，应加以考虑。管道的局部屈曲一般满足如下的标准：在只有过度的外压情况下的系统压溃；在只有过度的外压情况下的屈曲扩展；联合载荷标准，例如，外压或者内压的相互作用、轴向力和弯曲力矩。,4.6屈曲局部屈曲：表现为整体横截面的变形，大的累积塑性应变,4.6屈曲,局部屈曲,4.6屈曲局部屈曲,4.6屈曲,屈曲扩张止屈器 （Buckle arrestor）,4.6屈曲屈曲扩张,4.6屈曲,屈曲
13、有限元分析：载荷效应分析应当基于最不利的载荷组合。载荷组合应考虑到与管路系统相关的所有设计相位。通常包括：启动；运行条件下运行；设计条件下运行；关闭；停止和关断状态。有限元分析应该考虑以材料的非线性材料行为，通过有效地屈服面和硬化规则考虑材料的非线性和二维（纵向和环向）应力状态。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船舶抛锚和拖网,有两种典型的意外载荷情形，能够给立管、管道和脐带缆带来破坏：受到冲击（例如由于物品坠落）过于受拉/挂钩钩住（例如由于拖网板或锚拖住）过于受拉和挂
14、钩钩住的情形是一个全局弯曲现象，管道的弯曲刚度很重要。典型的管道失效形式是缩进或刺穿管道管壁（对于冲击载荷）以及过度弯曲（对于过于受拉）。,4.7船舶抛锚和拖网有两种典型的意外载荷情形，能够给立管、管,4.7船舶抛锚和拖网,船舶抛锚可能对海底管道造成损伤，可根据DNV-RP-F107规范对风险进行评估：,4.7船舶抛锚和拖网船舶抛锚可能对海底管道造成损伤，可根据D,4.7船舶抛锚和拖网,破坏级别分类,4.7船舶抛锚和拖网破坏级别分类,4.7船舶抛锚和拖网,可根据DNV-RP-F111规范对拖网进行分析：拖网分析基本数据要求在计算力以及管道的影响之前，要确定关于预期的沿着管道线路的拖网作业的基本
15、参数，这些沿着管道线路的参数包括（但不仅限于此）：拖网作业种类（例如，使用网板拖网或桁拖网的工业或消耗式作业，或者是使用配重块的双拖网作业）拖网作业使用的设备（设备种类，形状，尺寸，质量，拖网速度）预期的拖网设备跨过管道的频率拖网设备或频率可能出现发展或变化（例如，新的设备，更大的拖船，增加的频率等），航线需要按照上述的因素进行合理的分段。,4.7船舶抛锚和拖网可根据DNV-RP-F111规范对拖网进,4.7船舶抛锚和拖网,拖网设备撞击频率fimp表达式为：撞击能量拖网装置的动能在撞击的过程中会以以下形式部分或全部耗散：拖网设备的变形电缆保护层的变形涂层的变形管壁的弹性形变和塑性凹陷管道的整体
16、偏移，包括与土的摩擦土的变形,4.7船舶抛锚和拖网拖网设备撞击频率fimp表达式为：,4.7船舶抛锚和拖网,拖网撞击的简易响应计算脱网版吸收的撞击能量为：附加质量主要作用于垂直于板的方向，造成板的横向弯曲。板的附加质量引起撞击载荷可以表达为：板的附加质量引起的撞击能量为：其中ma为脱网板附加质量，t为钢板厚度（名义壁厚减去腐蚀余量）。Kb为板的横向弯曲刚度。U为材料强度系数，参考DNV-OS-F101。Fy,temp为屈服应力的温度额降值。,4.7船舶抛锚和拖网拖网撞击的简易响应计算,4.7船舶抛锚和拖网,例题4：拖网撞击分析,4.7船舶抛锚和拖网例题4：拖网撞击分析,4.7船舶抛锚和拖网,4.7船舶抛锚和拖网,
