管道与储罐强度-4稳定性

1、第四章 管道的屈曲分析 屈曲也称为失稳，是指结构丧失了保持其原有平衡形状的能力。 由于管道的薄壁、细长的结构特性，在其受力和变形条件稍有恶化时，容易产生屈曲破坏。 与陆上管道相比，海底管道可能更容易发生屈曲破坏。 管道产生屈曲的原因，通常有外压作用下的弹性失稳、机械作用或管道本身缺陷造成的局部屈曲、弯曲屈曲和象“压杆”一样的纵向屈曲等。屈曲分析的内容轴向屈曲上浮屈曲环向（局部）屈曲屈曲4-1 地下管道的轴向稳定性 在嵌固段，管道所受到的最大轴向力为：ATEtpDP2 管道轴向稳定性的验算条件 crnPP n安全系数，可取n=0.60.75。 临界载荷 直线管道的挠曲微分方程式02 CyyBPy

2、A土壤的压缩抗力系数；系数；土壤对管道的轴向抗力管道的弯曲刚度；0KKEIu各系数分别为uuKKDDKCDDKBEIA2211100逆解法：假设管道失稳时的弯曲形状为xfysinxyf称为管道的失稳波长。可以求得 失稳时，轴向位移与横向位移相比只是一个二阶小数，可忽略不计。DDEIKDDKPDDKEIucr2111221040DEIKPDKEIcr0402适用于直线管道（或曲率半径1000D的弯曲管道）。 土壤的压缩抗力系数K0土壤性质土壤名称K0,kgf/cm3密度小的土壤中等密度的土壤 泥煤土 流 砂 软湿土 新填砂 压实砂 砾 石 湿粘土0.050.10.10.50.10.50.10.5

3、0.55.00.55.00.55.0向上弯曲时式中 0计算曲率半径，m； q 管道向上位移时的土壤极限阻力，=q0+qcr, N/m； q0 管道所受的向下压力，N/m； q1 管子本身和管内流体重量，N/m； q2 压重物（如土壤和固定支墩）的重量或锚栓对管道的拉力，N/m; n 土壤的载荷系数，n=0.81.2； qcr土壤抗管道作向上的横向位移时的临界支承力，N/m。0375. 0qPcr土壤的临界支承力式中 so管顶填土的容重，N/m3； 土壤内摩擦角； C土壤粘着力。7 . 0cos7 . 07 . 039. 00200ChtghDhDqsosocr当向上弯曲管道的轴向稳定性得不到保

4、证时，可采用增加埋深、设置固定墩或锚固等方法 4-2 海底管线的上浮（upheaval）屈曲 海底（或地震液化土）覆盖土层的刚性较小，管子容易因屈曲而产生向上拱的弯曲变形，称为上浮屈曲。 上浮屈曲产生过量的垂直位移和塑性变形，被认为是一种失效情形。 和铁路铁轨中的热胀屈曲相类似。上浮屈曲的形状4142coscos222222xkLkkLkxPkqy临界载荷与长度 两式须联立求Pcr。273.80LEIP 2125025. 0598. 1fEIEAfqLIELqPP安全温升不同覆盖土层载荷0306090120150020406080100f=0.01f=0.05f=0.1f=0.2f=0.4f=

5、0.6 温T( )L(m)03060901201500102030405060708090100w=1200N/mw=2400N/mw=3600N/mw=4800N/mw=6000N/mT()L(m)不同摩擦系数4-3 压扁 在冲击载荷的作用下，会产生较大的塑性变形，即被压扁。 压扁处的位移压扁处的位移du322323tPuyd压扁处的集中力P壁厚t屈服应力y压扁载荷（MN）挠度（mm）压扁分析的Wierzbicki模式 忽略了环向弯曲和轴向拉伸的塑性相互作用。 忽略了弹塑性变形的相互作用。 忽略了应变硬化。 假定冲击载荷作用于垂直于管道的平面内。塑性铰压扁的影响 压扁深度大于管道直径5%时，

6、影响清管球的通过； 压扁处容易在疲劳载荷下产生裂纹； 一般规定，压扁深度大于管道直径的6%时，应更换管道；4-4 管道在外压作用下的稳定性 对于外压作用下的管子，稳定性是必须优先考虑的因素。 理想圆管的临界压力： 当管子承受的外压大于临界值时，管子将不能保持圆形形状或完全坍塌。 考虑实际管子不是理想的圆形，并且受环向和弯曲应力的联合作用，其临界压力值会大大减小。32)1 (2DtEC例： 2736钢管能承受的极限外压计算结果：32)1(2DtEC。弹性模量泊松比壁厚；外径；极限外压；式中：)210();3.0(GPaEtDCMPaC90.42736)3.01(1021023234-5 海底管道

7、的屈曲传播 局部屈曲 屈曲传播 止屈措施1、局部屈曲 对管子局部屈曲可定义为：管子截面扁平化或翘曲折皱超过规定的限度。 实际管子存在残余的椭圆度，而且还可能产生显著的塑性变形。因此，管道的失稳的临界外压是材料屈服极限的函数。 Dtpcr2se32esscrDtp23112se32考虑实际管子不可能是理想的圆形，并且受环向和弯曲应力的联合作用，其临界压力值会大大减小。 Mcr和pcr分别是管道单独受弯曲和外压时的临界值。1creerppMMcrepptD/30012、屈曲传播 管道的局部屈曲可以传播，传播的速度异常迅速，屈曲传播的长度有几百米至上千米。 屈曲传播压力和起始压力。ipppiepp

8、屈曲发生pepp 屈曲传播pepp 屈曲传播停止在海水中的管道屈曲后肯定传播pipp 管道的屈曲传播压力的确定（试验和理论研究） 传播压力只取决于屈服极限和径厚比。5 . 226Dtpsp215. 1tDtpsp管道的屈曲传播压力 在海洋管道工程设计中，通常计算管子出现局部屈曲的最大临界外压，用它的三分之一作为保证管子稳定的安全度。对屈曲传播压力而言，实际的安全系数为4.5，即5 . 435 . 1crcrpppp 3、止屈器止屈器 为了防止屈曲和屈曲的传播，可以采取以下两种措施： 加大全线管壁厚度：可行，但不经济 管道局部加厚，或采用止屈器，使屈曲传播只限于两止屈器之间。 止屈器的形式a）活动式（套筒式）屈曲限制器；b）厚壁管筒式（或整体式）屈曲限制器；c）焊接固定式屈曲限制器。 本章小结 几种常见的屈服形式有：轴向屈曲、上浮屈曲、压扁、外压下的屈曲、屈曲传播等； 陆上管道的屈曲验算的安全系数取0.650.75; 在陆地管道的屈曲分析中需要考虑土壤刚度的影响；按考