设计方法: 按设计内压进行计算; 按设计外压校核.
15
4.2.2A 按设计内压进行计算
设计内压:最大工作内压与最小外压之差. A1内压作用下,产生环向应力
pD σh = 2δ
16
A2轴向应力
内压作用在管段 时,轴向应力
σx =
p
π
4
2 O
Di2 D
2 i
π
(D 4
) (D
=
i
+ 2δ ) Di2
4.2.1作用于管道上的载荷
3 偶然载荷
船舶碰撞 拖网渔具的撞击 坠落物的撞击
4 载荷组合
1)管道正常运行状态下工作载荷+相应的环境 载荷; 2)管道施工安装,铺设时的工作载荷+相应的 环境载荷; 3)管道正常运行状态的工作载荷+地震载荷
14
4.2.2 管壁的校核
工艺计算 强度计算 管道内径 管道外径 管道壁厚
5
6
A支撑板
支撑板结构
7
B固定支撑环
固定支撑环结构
8
C固定支撑板
9
D加肋板的固定支撑板
10
4.1.3 内管变形假定
1)两固定支撑杆间内管在外管中的变形受支撑件约束; 2)内管呈正弦曲线形; 3)限制内管的最大挠度,不使保温层损伤.
11
4.2 海底管道的结构强度设计与计算
4.2.1作用于管道上的载荷 1工作载荷
w
q
s
临界 2E δ 2 Pcr = ( n 1) 2 1 D 应力 压屈条件 P0 ≤ Pcr
3
hs
E
管中心线以上的土层厚度
管道钢材的弹性模量 泊淞比,取0.3 n 屈曲波数,取2
21
则管壁
P0 (1 ) δ ≥ D 2 2 E ( n 1)
2
1 3
4.2.3 强度计算
29
4.2.5管线设计的极限状态
极限状态 说明 1)环向压力-屈服断裂 2)轴向载荷-塑性垮塌 管道不能容纳其所运 输的流体 3)挠曲载荷-局部屈曲 4)在超载或热力作用下载荷组合 1)横截面呈椭圆形 管道还能容纳其所运 2)轴线弯曲 输的流体,但不能达 3)共振 到安全要求 1)波动的内压引起的疲劳断裂 2)外部压力引起的疲劳断裂 管道结构运行寿命期 3)腐蚀疲劳引起的断裂 间出现缓慢衰变形成 4)裂缝扩展引起的断裂 的极限状态 30 5)腐蚀引起的损坏(泄漏)
4.2.3.1 温度应力 温度变化时,管道发生伸缩.受约束管道产 生温度应力 σ t = α E t α 为管道材料的线胀系数
管道自由时的伸长量
NL L = EA 单位长度管上的摩擦阻力
D0
Pp
F = π D0 Pp
直径 土层压力 摩擦系数
22
4.2.3.2 弯曲应力
A管道允许的最小曲率 半径计算 l1 = ρβ
D l2 = ρ + 0 β 2
D l = l2 l1 = 0 β 2
ρ
l D0 ε= = l123
ρ min =
ED0 2σ
B管道弯曲中的应力
设计内压P,在不同角度
D sin θ PD0 2 σl = D 2δ 2 ρ + sin θ 2 2ρ + D 2ρ + 2 PD0 σl = D 2δ 2 ρ + 2 D 2ρ 2 PD0 σl = D 2δ 2 ρ 2
900 2700
24
4.2.3.3考虑弯曲后截面扁平时的应 力
在外力作用下管道弯曲后,断面会变成扁 平,此时, 环向应力 σ = γ M δ M 弯矩
管壁厚度 I 管截面惯性矩 γ 环向应力集中系数 β 轴向应力集中系数 轴向应力 σ 2' = β Mr I r 弯曲管本身的管半径 为避免弯曲产生应力集中,要求 ρ ≥ 40D
2
pDi2
=
pDi2 = 2 4δ Di + 4δ pDi 4δ
pDi 4δ 2 4δ + Di
17
≈
A3径向应力
径向应力:为管壁受内压产生的剪切应 力
σr = p
18
A4应力比较
环向应力 轴向应力 径向应力
pD σh = 2δ
pDi σx ≈ 4δ
δ
D
< 0.1
σr = p
19
A5长距离管道的管壁厚度计算
壁厚
pD δ =k + c1 + c2 2σ h
c1为钢管壁厚制造公差,0.3~0.5mm c2为腐蚀余量,取1~3mm k为超载系数,取1.1~1.15
20
4.2.2B 按设计外压校核
设计外压:最大工作外压与最小内压之差. 设计外压的计算公式: γ 海水重度 裸置管道 P0 = γ w d + Pq d 水深,设计高潮位加2/3波高 埋放管道 P 稳定压块对管道的压力 P0 = γ s hs + γ w ( d + hs ) γ 海底土壤的重度
第4章海洋管道结构设计与计算
4.1海洋管道的结构设计 4.2海洋管道的结构强度设计与计算
4.3海洋管道的结构稳定设计与计算 4.4特殊载荷作用下管壁强度校核
1
4.1 海底管道的结构设计
4.1.1管道的断面结构形式 单层管 双层管
2
从结构上看可划分为 单层管道 双重保温管道 三重保温管道
3
4
4.1.2内外管的连接
I
' 1
δ
25
内压产生管壁应力 温度变化引起温度应力 管线弯曲产生的应力 则按第四强度理论:
2
4.2.3.4复杂应力状态下的应力
σ eq 4 = 0.707 (σ 1 σ 3 ) + (σ 2 σ 1 ) + (σ 3 σ 2 )
2
2
σ1
σ2
总的环向应力,考虑压力超载可加大10%-15% 总的轴向应力,考虑温度影响可加大5%-10% 总的径向应力
26
σ3
4.2.3.5第五强度理论
通常径向应力不大,可忽略,则
σ eq 4 = 0.707 (σ 1 σ 3 ) + (σ 2 σ 1 ) + (σ 3 σ 2 )
2 2 2 = 0.707 σ 12 + σ 2 + (σ 2 σ 1 ) 2 2
2 = 0.707 2σ 12 + 2σ 2 + 2σ 2σ 1 2 = σ 12 + σ 2 + σ 2σ 1
危险情况出现在当轴向应力为压力时,则
2 σ eq 5 = σ 12 + σ 2 + +σ 2σ 1
27
4.2.3.6强度条件
管道的强度要求
σ eq 5 ≤ [σ ]
k k为材料的安全系数,取1.39-2.0
28
[σ ] =
σs
4.2.4双层管的强度设计
对双层管结构,内管与外管应分别设计. 在运行期间: 外管主要承受外压产生的应力和管道弯 曲时产生的弯曲应力. 内管主要承受内压产生的应力和温度应 力,以及管道自重引起的弯曲应力. 对于某些施工,铺设时的载荷,在校核 时从设计安全角度出发,应该考虑内管 和外管共同承受载荷.
A在位状态 重力:管道,涂层,加重层,附件,介质 压力:内部流体,外部静水或土壤压力 胀缩力:管内介质温度与周围温度变化产生 预应力:因永久性弯曲或伸长变形引起 B安装状态 重力 压力 安装作用力
12
4.2.1作用于管道上的载荷 2环境载荷 风,浪,流,冰,地震等因素引起的载 荷 计算方法:概率统计的方法进行计算 设计标准: 在位状态下,重现期不小于50年; 安装状态下,取作业期的3倍为设计周 期,但不小于3个月; 对连续5天以内的短期作业,可根据天 气预报情况确定. 13
1.强度极限状态
2.变形极限状态
3.运行极限状态
作 业
1,长距离管道的管壁厚度设计 要考虑那些因素? 2,双层管结构的内管与外管分 别承受哪些力?
31
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