海底管線6061鋁管壁厚壁厚計(jì)算

            6061鋁管，被用作海底管道施工技術(shù)時(shí)要求苛刻，海上工程風(fēng)險(xiǎn)高。投資巨大，其中海底管道6061鋁管6061鋁管的投資占了很大的比重。海底管道6061鋁管設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的內(nèi)容就是管徑和壁厚的選定問(wèn)題。海底管道6061鋁管的外徑主要是根據(jù)工藝流量和壓力，結(jié)合經(jīng)濟(jì)和安全兩方面因素確定，材質(zhì)主要考慮強(qiáng)度大小以及制造工藝的優(yōu)劣和價(jià)格因素。壁厚是管徑以外最重要的參數(shù)，設(shè)計(jì)海底輸送油氣管道的壁厚過(guò)程中，應(yīng)考慮多方面的因素。

　　一、海底管道6061鋁管壁厚的影響因素
　　1.材料的許用應(yīng)力
　　材料的許用應(yīng)力是指材料的強(qiáng)度指標(biāo)除以相應(yīng)的安全系數(shù)而得到的值。當(dāng)管道元件中的應(yīng)力超過(guò)其許用應(yīng)力值時(shí)，就認(rèn)為其強(qiáng)度已不能得到保證。因此說(shuō)，材料的許用應(yīng)力是確定管道壁厚等級(jí)的基本參數(shù)。
　　2.腐蝕余量
　　腐蝕余量是考慮因介質(zhì)對(duì)管道的腐蝕而造成的管道壁厚減薄，從而增加的管道壁厚值。它的大小直接影響到管道壁厚的取值，或者說(shuō)直接影響到壁厚等級(jí)的確定。
　　目前我國(guó)尚沒(méi)有一套有關(guān)各種腐蝕介質(zhì)在不同條件下對(duì)各種材料的腐蝕速率數(shù)據(jù)，因此，工程上大多數(shù)情況下仍是憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定其腐蝕余量的。
　　二、海底管線壁厚計(jì)算
　　1.水深計(jì)算
　　在校核計(jì)算滿足海底油氣管道內(nèi)壓壓裂要求的壁厚時(shí)可以不考慮水深。而在校核計(jì)算滿足管道外壓壓潰以及擴(kuò)展屈曲時(shí)應(yīng)考慮管道處于最大水深情況，最大水深的計(jì)算見(jiàn)下式：
　　最大水深=平均水深+100年一遇最大波高+風(fēng)暴大潮+漲潮高度
　　2.內(nèi)壓（壓裂）設(shè)計(jì)計(jì)算
　　根據(jù)規(guī)范ASME B31.8，海底管道6061鋁管和立管/膨脹彎滿足內(nèi)壓要求的壁厚可由以下公式表示：
　　
　　
　　
　　這里Pi－設(shè)計(jì)內(nèi)壓壓力（MPa）
　　Pe－設(shè)計(jì)外壓壓力（MPa）
　　D－管線的外徑（mm）
　　tn－滿足壓力和腐蝕要求的名義壁厚（mm）
　　t－滿足壓力要求的壁厚（mm）
　　CA－腐蝕裕量（mm），取4mm
　　Sh－環(huán)向應(yīng)力（MPa）
　　F1－環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)因子，數(shù)值見(jiàn)規(guī)范ASME B31.8中表A842.22
　　=0.72 （1區(qū)管線）
　　=0.50 （2區(qū)和立管/膨脹彎管線）
　　T－溫降因子，數(shù)值見(jiàn)ASME B31.8中表841.116A
　　=1.0 （溫度<250F）
　　S －管材的標(biāo)定最小屈服強(qiáng)度（MPa），358.54MPa
　　3.外壓（壓潰）設(shè)計(jì)計(jì)算
　　規(guī)范ASME 31.8并沒(méi)有提供海底管道6061鋁管的極限外壓力設(shè)計(jì)，因此外壓設(shè)計(jì)依據(jù)Timoshenko的“穩(wěn)定性的彈性理論”進(jìn)行計(jì)算。
　　極限外壓力用以下公式進(jìn)行計(jì)算：
　　
　　式中：
　　Pcol－管線極限外壓力（MPa）
　　U－管線的橢圓度（%），取2％
　　Pcr－彈性變形臨界壓力（MPa）
　　Pcr=　　　　 3
　　E－鋼管的楊氏模量（MPa），2.07x105（MPa）
　　Rm－鋼管的平均半徑（mm），
　　Rmin－管線的最小半徑（mm）
　　Rmax－管線的最大半徑（mm）
　　ν－管線的泊松比，取值為0.3
　　σy－管材的標(biāo)定最小屈服強(qiáng)度（MPa），358.54MPa
　　tc－考慮腐蝕裕量的壁厚（mm）
　　4.屈曲擴(kuò)展設(shè)計(jì)計(jì)算
　　管線壁厚的設(shè)計(jì)應(yīng)該能滿足管線不會(huì)發(fā)生屈曲。海底管線在一定的水深條件下，當(dāng)靜水壓力足夠大時(shí)就會(huì)使管線屈曲。初始屈曲壓力的大小可由Battlle公式計(jì)算：
　　
　　式中：
　　Pi－初始屈曲壓力（MPa）
　　E－管線的楊氏模量（MPa）
　　t－名義壁厚（mm）
　　D－管線外徑（mm）
　　5.壁厚計(jì)算值的選取
　　根據(jù)以上公式計(jì)算所得壁厚值，從四個(gè)值中選取最大值做為管線壁厚的計(jì)算值，根據(jù)《DNV-OS-F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS》規(guī)范要求，確定最終壁厚。
　　三、海底管線壁厚計(jì)算的修改提議
　　目前，管線設(shè)計(jì)是根據(jù) ASME B31.8（美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)） 計(jì)算所需的管壁厚度或允許壓力，是一種基于允許環(huán)向應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)管道受到升溫及內(nèi)部壓力的綜合作用時(shí)， ASMEB31.8 并無(wú)相應(yīng)的壁厚修正標(biāo)準(zhǔn)或公式。在遵循原有基本原則以及極限狀態(tài)設(shè)計(jì)概念的基礎(chǔ)上，建議改變 B31.8 的保守設(shè)計(jì)，在不影響管道的完整性情況下，減小管道壁厚。
　　1.引入最小壁厚設(shè)計(jì)因素
　　管線的壁厚越小，環(huán)向應(yīng)力越大。設(shè)計(jì)要求由管線幾何尺寸決定的環(huán)向應(yīng)力小于（或等于）允許的環(huán)向應(yīng)力，從而可計(jì)算出最小的壁厚尺寸。采用 B31.8 中管道壁厚的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，考慮管道制造中的公差，可以修正設(shè)計(jì)因數(shù)，增加環(huán)向應(yīng)力允許值，則可減小名義壁厚的允許值。例如，管線外徑小于 20in 的焊接管或無(wú)縫管，利用修正后的公式計(jì)算，允許的環(huán)向應(yīng)力可增加8.5% 。
　　2.完善環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式
　　基于極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)是管道設(shè)計(jì)規(guī)范的趨勢(shì)。保守的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)是應(yīng)用傳統(tǒng)的允許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算材料實(shí)際的非線性特性下的應(yīng)力，改進(jìn)后的壁厚設(shè)計(jì)公式充分考慮到了管道材料的非線性性能以及管壁徑向應(yīng)力分布。與原有公式相比，新的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式提供了更經(jīng)濟(jì)的方案。
　　3.管道壁厚與溫差之間的關(guān)系
　　對(duì)于現(xiàn)代管道而言，確定管道壁厚與溫差的關(guān)系具有重要意義。 B31.8 中既不包括縱向應(yīng)力和等效應(yīng)力，也不包括確定受限制的管道縱向應(yīng)力的計(jì)算公式，因此建議加以修訂。對(duì)于受限制的管道考慮實(shí)際的非線性特性下的應(yīng)力，采用修正后的方法計(jì)算可增加允許的溫差范圍或減小需要的壁厚。
　　四、結(jié)論
　　根據(jù)上述海底管線壁厚示例計(jì)算可知，壁厚設(shè)計(jì)需考慮內(nèi)壓壓裂、外壓壓潰以及屈曲產(chǎn)生和擴(kuò)展等校核計(jì)算，另外管道設(shè)計(jì)的校核也非常重要。綜上所述，海底管道6061鋁管的設(shè)計(jì)影響因素比較多，設(shè)計(jì)和施工工況比較復(fù)雜，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)和計(jì)算流程的基礎(chǔ)上，逐步探索新的修改提議和方法是非常有必要的。
本文摘自中國(guó)論文網(wǎng)，原文地址：http://www.xzbu.com/2/view-3267083.htm