第四章_管道的屈曲分析.

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。弯曲屈曲U形屈曲双凹屈曲变平化屈曲屈曲分析的内容轴向屈曲地下埋设管道局部屈曲屈曲上浮屈曲海底埋设管道屈曲传播机械作用外压地下埋设管道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：ATEtpDP2•管道轴向稳定性的验算条件crnPPn——安全系数，可取n=0.6~0.75。临界载荷直线管道的挠曲微分方程式02CyyBPyA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xfysinxyf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。4002112211cruEIKDDPKDEIKDDDDEIKPDKEIcr0402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0.05~0.10.1~0.50.1~0.50.1~0.50.5~5.00.5~5.00.5~5.0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，，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=0.8~1.2；qcr——土壤抗管道作向上的横向位移时的临界支承力，N/m。0375.0qPcrｑ0=q1+q2ｑ=q0+qcr土壤的临界支承力式中：γso——管顶填土的容重，N/m3；φ——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LACxyBB'D'DE'C2182coscos22222xkLkkLkxPkqy临界载荷与长度两式须联立求Pcr。273.80LEIPcr2125025.0598.1fEIEAfqLIELqPPcr安全温升不同覆盖土层载荷0306090120150020406080100f=0.01f=0.05f=0.1f=0.2f=0.4f=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。压扁的影响•压扁深度大于管道直径5%时，影响清管球的通过；•压扁深度大于管道直径8%时，影响管道的爆破强度；•压扁处容易在疲劳载荷下产生裂纹。压扁分析的Wierzbicki（维兹比基）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。塑性铰压扁处的位移压扁处的位移—du322323tPuyd压扁处的集中力—P壁厚—t屈服应力—y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(2DtEC例：Ф273×6钢管能承受的极限外压计算结果：32)1(2DtEC。弹性模量——泊松比壁厚；—外径；—极限外压；式中：)210();3.0(—GPaEtDCMPaC90.42736)3.01(1021023234-5海底管道的屈曲传播•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。Dtpcr2se32esscrDtp23112se32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。1crecrppMMcrepptD/30012、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。•屈曲起始压力和屈曲传播压力。ipppiepp屈曲发生pepp屈曲传播pepp屈曲传播停止一旦造成管道屈曲，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。5.226Dtpsp215.1tDtpspBattelleDNV3、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0.60~0.75;•在陆地管道的屈曲分析中需要考虑土壤刚度的影响；按考虑管道的弯曲曲率和不考虑管道的弯曲曲率两种情形考虑。•海底管道的上浮屈曲中存在安全温升；•管道有临界外压；•在外压下，局部屈曲管道会发生屈曲传播，分别存在屈曲起始压力和屈曲传播压力，屈曲起始压力大于屈曲传播压力；•三种形式的止屈器。