大口径薄壁海底管道局部屈曲设计技术研究★

张 先 锋

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

1 概述

近年，随着海洋油气储运业的发展，海底管道的建设活动越来越多，建成了一些大口径的海底管道[1]。大口径海底管道的焊接、施工方法等方面都有较大的进步和发展[2,3]。但是在管道的强度设计分析方面，在现行的海底管道设计标准中[4]，对径厚比大于45的海底管道都没有规定明确的设计方法。对大口径海底管道而言，若要在设计过程中控制管道的径厚比满足现有标准的适用条件，需要选择较大的钢管壁厚，这将会增加钢材用量和海上焊接时间，增加工程投资。本研究通过对大口径薄壁海底管道在弯矩作用下的局部屈曲分析，引入了弯曲抗力系数，建立了弯矩抗力系数与管道径厚比的关系。

2 大口径薄壁海底管道局部屈曲模拟

2.1 理论弯矩抗力

海底管道的局部屈曲的理论弯矩抗力为：

Mp=fy×(D-t)2×t。

其中，Mp为塑性弯矩抗力，N；Sp为塑性轴力抗力,N；D为管道外径,N；t为管道壁厚,N；fy为材料屈服强度，Pa。

将实际弯矩抗力与理论弯矩抗力的比值定义弯矩抗力系数γMP，即：

则内部超压海底管道局部屈曲校核公式变为：

其中，γm为材料抗力因子，无量纲；γSC为安全等级抗力因子，无量纲；Msd为设计弯矩，N·m；Ssd为设计有效轴力，N；pi为管道内压，Pa；pe为管道外压，Pa；MP为塑性弯矩抗力，N·m；SP为塑性轴力抗力，N；pb为承压抗力，Pa；t2为管道壁厚，m；αc为考虑应变硬化的流动应力参数；αmd为考虑点荷载影响的塑性弯矩抗力折减系数，无量纲；αp为压力因子，无量纲。

2.2 钢管本构关系

管道局部屈曲分析中，考虑材料的非线性影响，其应力应变本构关系遵循Ramberg-Osgood模型，即：

其中，ε为总应变，无量纲；σ为应力，Pa；E为弹性模量，Pa；αr为Ramberg-Osgood系数，无量纲；σo为名义屈服应力，Pa；N为Ramberg-Osgood指数，即：

其中，εo为屈服应变，无量纲；σu为最小抗拉强度，Pa；εu为极限强度应变，无量纲。

2.3 有限元分析

采用有限元法分别研究五种管径φ1 016，φ1 118，φ1 219，φ1 321，φ1 422管道在不同壁厚条件下的局部屈曲失效承载力。管径与壁厚组合情况见表1。

表1 典型截面组合表 mm

管道有限元模型如图1所示。

根据对海底管道在弯矩作用下的局部屈曲模拟分析，得出φ1 016，φ1 118，φ1 219，φ1 321，φ1 422管道的实际弯矩抗力见表2～表6。

表2 φ1 016管道弯矩抗力结果

表3 φ1 118管道弯矩抗力结果

表4 φ1 219管道弯矩抗力结果

表5 φ1 321管道弯矩抗力结果

表6 φ1 422管道弯矩抗力结果

根据上述不同管径、不同径厚比条件下管道弯矩抗力系数可知，当径厚比大于45时，管道的局部屈曲弯矩抗力会随着管道径厚比的增大而降低，弯矩抗力系数与管道径厚比的关系如图2所示。

基于设计包络线方法，弯矩抗力系数可按下式取值：

3 结论与建议

本研究通过对大口径薄壁海底管道在弯矩作用下的局部屈曲分析，引入了弯曲抗力系数，建立了弯矩抗力系数与管道径厚比的关系。研究结果表明，大口径薄壁海底管道的弯曲抗力系数随径厚比的增大而减小。