以应变为基础的管道设计准则及其控制因素

王庆楠++王小宁

摘 要：随着我国社会的发展与我国经济环境的需要，近些年来我国的油气管道运输业一直处于高速发展的状态下，并且逐渐呈现出长距离、大口径、高流量与高运行压力的发展趋势。这就要求了各个油气管道可以尽可能更好地适应环境的不断变化。在本文中，作者将会对于以应变为基础的管道设计准则及其控制因素这一话题进行一定的讨论。

关键词：应变；管道设计；控制因素

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.193

1 前言

现如今，我国现使用的大多数管道的设计都是以应力为基础的，但是相比而言，在这种设计方法中存在着很多的问题与缺陷，不能有效地解决管道的强度问题与管道对于外界环境的适应问题。所以，一种叫做以应变为基础的管道设计准则应该得到及时的应用。这样可以在管道的设计过程当中更为有效地对于管道的各种影响因素进行一个系统性的分析，从而提升管道工程的整体施工质量，提升管道使用年限，降低管道的后期維护费用，有利于我国的管道运输业的不断发展与进步，同时也可以促进我国的经济发展。

2 以应变为基础的管道设计准则的介绍

如果我们将基于应力的设计准则与基于应变的管道设计准则相比较的话，我们可以得出前者是以管道的最小屈服应力为载荷极限而进行管道设计的，而相比之下后者则是建立在极限状态下的设计思想与位移控制载荷，在管道可能发生屈服应变但不影响其正常功能的情况下进行设计与制造的，从而能够充分地发挥管道的能力，在节约成本的同时增加了其的油气运输效率。

（1）极限状态。极限状态是指结构处于某种动能继续提供原来提供的功能的一种临界状态（临界点），并且大多数情况下，超过这个临界点就会有一定的失效。举个例子，一个管道可以承受外界压力2000N，所以这个2000N就是这个管道承受外界压力的极限状态，如果给其2000.1N的外界压力，可能其就会发生管体断裂并且造成油气泄露。但是，事实上，可能在达到管体所能承受的极限状态之前，管体就会发生一定的塑性形变，但不会引起管体断裂，使其依然可以正常工作，这就是以应变为基础的管道设计所允许的情况，但是以应力为基础的管道设计所不允许发生的情况。但是如果在其发生形变但不断裂的情况下进行工作就意味着可以同时运输更多的油气，提高其工作效率。（2）载荷控制与位移载荷。作用于管道上的载荷减少方法有很多种。压力载荷一般作为载荷控制，而管道周围的土壤运动常常被认为是位移载荷。通过位移载荷可以进行几何形状的改变将作用在管道上的载荷缩减到零，但载荷控制则不能仅仅通过形状的改变将载荷减小到零。两种不同的方法在实际使用的过程中都会有不同的“副作用”，产生许多的应变。对于以应变为基础的管道设计来说，主要是将这两种不同的载荷削减方法的设计相互结合，尽量达到最好的效果，减少副作用。

3 以应变为基础的管道设计准则的控制因素

3.1 对于椭圆化的应变极限控制方法

这种变化的控制与相关数据主要是通过公式D/t和弯曲应变来获得的。在大多数情况下，其弯曲度越高，所允许的管体的椭圆度就越小。同时，BS8010也曾经提出过一个预测椭圆化对于管体影响的公式，可以进行一定的参考，但是经过之前科学家的试验发现这种公式在实际操作应用中会有25%左右的误差

3.2 “拉伸”应变极限的控制因素

拉伸极限主要取决于材料的韧性与管体连接处的环焊缝的焊接质量而决定的。从理论上来说，假设环焊缝的焊接质量极高、焊接缺陷小，则管道的不同部分就会有较高的匹配程度，更像是一个整体，从而可以有效地提高管体自身可以承受的拉伸性变的最大值，避免在管体受压的情况之下焊缝产生过大的塑性形变。

当环焊缝的焊接出现以下问题时，“拉伸”的极限应变将会受到一定的影响：焊接裂缝，管体焊接的大小、位置发生一定的错误或误差时，焊帽高度与焊缝斜角等细节处理不当，焊缝的匹配度过低（低于15%-20%时）。

3.3 “压缩”应变极限控制因素

屈曲往往是压缩最直接的一种体现，最常见的就是管壁起皱但是并没有影响到管体实际的应用。以下是几种屈曲的应变极限控制因素：

（1）管体的径厚比。从管材的几何特性角度上进行分析的话，径厚比D/t对于管材的影响其实是最大的。从相关的研究数据中我们可以得到，随着径厚比的增加，压应变极限会有大幅度的减少，但是当其大于四十左右的时候，管体的压应变极限会有小幅度的反弹。（2）环焊缝。环焊缝同样对于这一部分也有很大的影响。如果对于环焊缝这一方面处理不当的话，极易降低管道的压应变极限，同时也会影响大面积发生屈曲时的位置与屈曲的影响严重性。这会大大地降低实际使用中管体的质量与压应变极限。（3）内压。内压在使用合理的情况下，其本身是有助于防止管体发生小面积与微型的屈曲，增加其抵抗屈曲的能力，但是对于内压与临街应变的定量在学术界仍然有着一定的争论，不同的科研工作人员的看法也有着一定的区别。但是，内压就像是罐装汽水中的气体压力一样，当没开罐的时候（有内压的时候），易拉罐罐壁不易发生形变（屈曲）。但当内压过大的时候，可能会引起易拉罐的爆炸。（4）外压。无论是从功能与方向上来看，其都与外压有着几乎是截然相反的区别。其会降低管壁抵抗屈曲的能力，同时还可以传递屈曲，增加屈曲的面积与范围，对管体造成更大的损伤，使屈曲的塌陷面得以扩展。

4 结束语

总体而言，以应变为基础的管道设计是一个较为复杂的设计项目，因为其对于设计精度与实际的施工精度要求都会比较高（因为其管道大多都是在接近极限状态的情况下进行工作），施工难度也会有所提升。同时，这种设计方案也有其他自身的缺点。但是，只有不断探索与研究，政府加大对于科研工作的支持与资金投入，并且结合我国的管道工作生产实际进行相应管道技术的不断开发，我国的管道工程技术才能领先世界，并且促进我国管道运输业与经济的持续发展。

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