管道设计论文：管道设计方法思考

本文作者：张宏、崔红升 单位:中国石油大学（北京）机械与储运工程学院、中国石油天然气与管道分公司

随着管道工程的发展，其敷设地段的地质条件越来越恶劣，不可避免地需要穿越强震区、活动断裂带、滑坡、泥石流、冻土、沙漠、岩溶、采空区等各种地质灾害易发地区。一旦这些地质灾害发生，管道将承受较大的应力而超过管材的许用应力甚至屈服。如果仍然采用传统的基于应力的设计方法，就会导致因实际发生概率较低的严重地质灾害而使管道建设成本过高，在工程中无法实现。

基于应变的管道设计方法来源于关于极限状态的设计思想。极限状态指工程结构处于某种不能继续提供原本所能提供功能的临界状态，达到或逾越了该临界状态，结构可能产生特定形式的失效。在DNV-OS-F101-2005、CSA-Z662-2011等管道标准[4-5]中将管道极限状态分为适用极限状态和临界极限状态。适用极限状态指仍能够保持管道一定使用功能的极限状态，而临界极限状态指管道完全失去功能的极限状态，如管道弯曲时截面的椭圆化失稳、拉伸时断裂和压缩时产生屈曲折皱及疲劳断裂等，这些破坏形式是管道使用中决不允许出现的。理论上，管道达到临界极限状态前均应该是适用的，但基于安全的考虑，为防止管道达到临界极限状态，类似于基于应力设计时采用设计系数一样，上述规范设定了适用极限状态，允许管道的应力达到或超过屈服应力而进入弹塑性状态，但不会达到临界极限状态，仍能维持管道运行，不会引起泄漏、火灾、爆炸、污染等次生灾害，为地质灾害发生后对管道进行维抢修提供条件。为此，提出了基于应变的管道强度设计方法。当处于适用极限状态的管材已经超过屈服极限而处于塑性变形阶段时，管材的应力应变曲线比较平缓，如仍采用应力作为控制参量，微小的应力误差将产生较大的应变误差，很容易使管道达到临界极限状态，因此将应变作为控制参量是适宜的。目前，除上述两个标准之外，采用基于应变的管道设计的标准还有美国APIRP1111-199《9碳氢化合物海底管道设计、建设、运行和维修》、美国ASCE《埋地管道设计导则》、ASMEB31.8-2000、API1104-2005和ABS2006，英国BS8010-1993，德国GL-CodeⅢ/4，澳大利亚AS2885和AS1958等。全球采用基于应变的设计方法设计的管道超过了10条，包括BP-Northstar、Enbrige-NormanWell等[6]。我国西气东输二线工程穿越强震区和活动断层的管段，首次采用了基于应变的管道强度设计方法。

基于应变的管道强度设计方法的数学表达式与基于应力的方法类似：ε≤[ε]＝Fεs（3）式中：ε为各种载荷作用时管道可能产生的最大应变，与载荷大小、管道结构及尺寸、管材特性以及管道的失效形式（如截面椭圆化、拉裂、压缩屈曲）相关，可通过建立相应的管道力学模型及分析计算获得；εs为管材所能承受的极限应变，与管道材料特性、焊接方式、管材及焊接缺陷以及管道的失效形式相关，一般通过对管材的试验测试获得；F为设计系数，其选取与管道可承受风险或经济性相关，可通过研究并制定相应的标准确定。由式（3）可以求得确定载荷作用下的管道应变、管材的极限应变和安全系数。

基于应力和基于应变两种设计方法的最主要区别：①工作区域不同，对于纯弹性设计的构件而言，基于应力和基于应变的强度设计是相同的，因此基于应变的强度设计一定是针对处于弹塑性状态的构件而言的。②控制参量不同，基于应力的强度设计的控制参量为管道等效应力，适合的载荷形式为不同形式的力（内压、温度等）；基于应变的强度设计的控制参量为管道的轴向应变，适合的载荷形式通常为土壤位移。因此，基于应变的管道强度设计主要适用于以下3个条件均满足的情况：①受位移控制的载荷作用下的结构，如土壤位移；②该载荷大小一定会造成构件进入弹塑性状态，如重大地质灾害；③过大的应变会使构件达到某种工程中不允许的危险状态，如管道破裂。基于应变的强度设计并不能完全代替基于应力的强度设计，因为基于应变的强度设计只适合特定的载荷条件，是基于应力的管道强度设计方法的一个补充。一般情况下，仍应该首先考虑采用基于应力的设计。

在DNV-OS-F101和CSA-Z662标准中，既包括基于应力的设计准则，又包括基于应变的设计准则。因此，采用基于应变的强度设计应注意以下几点：①基于应变的设计方法是基于应力的设计方法难以满足管道强度要求时而采用的，并非为了充分利用管道材料性能而采用的，在管道设计中提高设计系数才是为了充分利用管材性能。②穿越地质灾害易发地段的管道并不一定要用基于应变的设计，采用何种设计方法取决于地质灾害发生的风险（概率及一旦灾害发生时的载荷大小）、管道的安全性、防止该灾害发生的成本以及工程可操作性的比较与平衡，如果能用可接受的成本采取工程措施保证管道在地质灾害发生时的安全性，还是应该采用基于应力的设计。③采用基于应变的管道强度设计方法，为满足式（3），可采取措施降低管道的应变水平，包括增加管道壁厚，预防地震波时采用宽沟、浅埋和土壤换填，预防断层滑移时选取合理的管道穿越角度，预防冻土冻胀融沉时采用换土或增加差异性过渡段的长度等。同时，也可提高管材承受应变的能力，如采用抗大变形钢。在工程实际中，具体采用何种设计方法还是必须同时采用两种方法，应考虑管道建设施工的成本和可行性，并不是采用基于应变的强度设计就必须用抗大变形钢。