应变设计方法在城市燃气管网中的应用

舒安庆吴开斌

(1.武汉工程大学机电工程学院,湖北 武汉 430074;2.武汉市锅炉压力容器检验研究所,湖北 武汉 430015;3.武汉市压力容器压力管道安全工程研究中心,湖北 武汉 430074)

0 引 言

特种设备管理核心是安全,而针对其失效模式的研究和设计则更好预防事故,保障安全.新的经济形势和科技发展水平要求特种设备的设计需要兼顾安全和经济性,针对其失效模式的设计和管理成为特种设备研究的热点[1].传统的燃气管道设计主要基于弹性极限设计准则,防止管道材料发生弹性失效.但城市燃气管道具有如下特征:1)城市管网敷设在地下,违章占压燃气管道占了很大比重,并且整治的难度较大；2)有的城市处在地震带上,地震引起的地质灾害如塌陷、断层、滑坡也将造成城市地面永久变形,导致城市埋地管道的破坏；3)有些城市地下水开采过度形成采空区,引起地表塌陷；4)车辆疲劳载荷等造成管线上方盖板被压塌或压弯,焊接点、阀门等处损坏.这些喻为城市生命线的燃气管道的失效形式主要包括腐蚀、过度变形、泄露、疲劳、韧性断裂等,其失效最终表现产生大的塑性变形,变形量的大小受管道外部环境的约束和内外压力的影响,用弹性极限设计准则已不能满足实际要求,应根据实际需要承受的最大变形来设计燃气压力管道.我国成功研制抗大变形管线钢[2],压力管道自动化焊接使得焊接质量大幅提高[3],燃气管道焊接和缺陷的试验与有限元模拟为更加精确的设计方法提供了依据[4-6].本文从应变极限、局部屈服与强度匹配、疲劳载荷的累积应变等设计要求阐述其对城市燃气管网建设的重要意义.

1 理论依据

传统的设计方法通常以承受工作条件下的内压所需的管道承载能力为基础,管道正常运行条件下的环向应力必须小于其最小屈服应力与安全系数的比值.针对城市管道的大变形失效模式,基于应变的设计可以满足管道设计要求.

基于应变设计的假设管道的变形程度跟周围环境位移相一致,周围环境的位移等于管道变形,其次管道的变形是受外部环境的位移控制,当外部环境的位移一定时,不同的管材,管道的塑性变形不能以相同的应力作为设计准则,因为不同管材在相同应力下的应变是不相同的,最大应变预测设计更满足实际管道变形要求.

按产生应变的不同方式把设计控制准则分载荷控制、位移控制及两者的综合,应变的极限状态设计主要考虑的载荷作用包括:内外压力载荷、土壤运动载荷、受约束条件下的热应力、局部弯曲载荷、预载荷等,并且不涉及腐蚀应力影响.基于应变的设计方法就是讨论在上述载荷条件下管道的拉、压极限应变、局部强度的匹配性、疲劳累积应变大小.

2 应力状态下的极限应变设计

在恶劣的地质条件和违章占压环境中,要保证管道安全服役和结构完整性,必须在设计时控制管道的极限拉伸和压缩应变,尤其是抗纵向应变的能力.应变设计准则要求管道最大极限拉伸应变和压缩应变ε≤10%,但管道的常见失效形式为局部屈服失效,尤其是局部的纵向拉伸应变,内压作用下最大纵向临界应变 参考计算公式[7]:

(1)

外压作用下极限纵向临界应变 参考计算公式[7]:

(2)

对于一次载荷,上面的计算结果较为精确,当受二次载荷作用时,许用应变值可以取得比一次载荷变形稍大,但不能大于1.5%.

3 焊缝周围局部屈服状态的应变设计

由于外部载荷作用复杂,如何阻止焊缝周围的局部屈服是极限应变状态设计的重点.在焊缝的邻域内,由于焊材与管材的强度不匹配、焊接热应力、焊接缺陷、腐蚀缺陷等造成应力集中.应力集中系数与材料接口的形状、壁厚的匹配、焊缝的均匀度、管道的椭圆度、强度的匹配相关.弹性应力集中系数用Neuber方法确定[8].

(3)

式(3)中：k为理论应力集中系数；E为弹性模量；ε为接口根部的等效应变；σ为接口根部的等效应力；s为远离接口处的等效应力.

研究表明,焊缝强度与母材强度之间为过匹配,即焊缝强度应当高于管道母材,使拉伸应变得以在钢管上累积形成大变形,过匹配的程度以5%～10%为宜[5].焊材强度σ取值范围在管材的σSMYK+80 MPa<σ<σSMYS+250 MPa之间,存在累积塑性变形Δε≥2%时,焊材强度最大值不超过σSMYS+200 MPa.焊缝周围壁厚匹配应满足不超过壁厚10%且相邻壁厚差≤3 mm.改变材料中的成分(增加铌、铝含量)或改变其径厚比(D/t)可以增强焊接热应力抗性.采用合适的焊剂和焊接工艺(螺旋焊)可以减少焊接中的缺陷.

局部屈服下管道的椭圆度将发生变化,而管道的椭圆度的设计应满足管内流体流量和管道检测设备的正常检测.对于椭圆度参数Dθ的计算如下:

Dθ=2(Dmax-Dmin)/(Dmax+Dmin)

(4)

式(4)中：Dmax为管道最大外径；Dmin为管道最小外径.

为满足正常检测需要,要求椭圆度的变形不超过6%,外压作用的椭圆度变形应不超过3%；内压鼓胀变形不超过2.5%.

4 疲劳载荷累积变形下的应变设计

对于车辆周期载荷下管道的变形主要属于疲劳累积变形,对于疲劳累积应变计算方法如下[9]:

Δε=0.055N-0.4(Δε>0.002)

(5)

Δε=0.016N-0.25(Δε<0.002)

(6)

式(5)、(6)中：N为循环次数.

5 结 语

a. 城市天然气供给管网系统是城市能源生命线,一旦泄漏、爆炸等恶性事故,将造成巨大生命财产损失.现行的燃气管道的设计方法是针对强度失效模式,不太适合城市复杂的使用条件,基于应变的设计方法更能满足安全和经济性要求.

b. 基于应变的设计可以充分利用材料的机械性能,提高管道抗压缩和纵向变形的能力,降低管道在安装、服役期间产生的局部变形的影响,延长管道的安全寿命,防止和减少事故发生,提高在恶劣环境中管道的安全水平,保障服役期间管道的安全可靠性.

c. 不同地质条件在外载荷下可能产生最大应变变形是设计参数选取的关键,采用新的材料、新焊接工艺可以更好的保证城市燃气管道的安全性能.

参考文献：

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