大口径高等级钢埋地管道截面稳定性研究

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随着长距离油气管道向高压、大口径方向发展,对管道钢材等级也提出了更高的要求,如今,大口径、高等级钢材管道如X80管道得到了更广泛的应用。但是,随着管道钢材等级提升、直径增大、壁厚减小,管道的稳定性问题愈加受到重视。对埋地管道而言,除受上部覆土压力,还会受到其它静力载荷及冲击载荷等外部载荷的影响,严重时会造成管道横截面失稳,因此,开展大口径埋地管道截面稳定性研究具有实际意义。本文主要以1219mm管径X80管道为代表研究埋地管道在受到竖向载荷作用时的失稳规律。基于管道稳定性的基本理论,分析了大口径埋地管道截面失稳影响因素。介绍了国内外有关管道不同截面稳定性分析方法,以GB50253-2003对稳定性校核的要求合理确定了外载荷作用下适合大口径埋地管道的截面稳定性判定标准。建立了主要外部载荷模型,统计分析了西二线、伊霍线使用的X80管材力学参数,并对其力学性能进行评价。针对不考虑椭圆度X80埋地管道,应用ANSYS有限元软件,分别建立在常规载荷、极端载荷以及冲击载荷作用下的有限元模型,分析失稳因素对管道截面稳定性的影响。在建立受到常规静力载荷作用不考虑初始椭圆度管道模型条件下,研究管道应力与截面变形,分析了模型影响参数(径厚比、埋深、载荷大小)变化对管道截面变形量的影响;在建立受到冲击载荷作用不考虑初始椭圆度埋地管道模型条件下,考虑冲击波在土体中的传播,分析了不同时间节点模型影响参数(径厚比、埋深、载荷大小、对称冲击、外径偏差)变化对管道截面变形量的影响,根据有限元分析分析得到的应力与变形规律,给出了对大口径埋地管道稳定性有益的建议。针对考虑管径偏差造成的具有椭圆度的X80埋地管道,应用ANSYS有限元软件,在受常规静力载荷作用管道模型条件下,研究管道应力与截面变形,分析了模型影响参数(径厚比、埋深、载荷大小)变化对管道截面变形量的影响;在建立受到冲击载荷作用管道模型条件下,考虑冲击波在土体中的传播,分析了不同时间节点模型影响参数(径厚比、埋深、载荷大小、对称冲击、外径偏差)变化对管道截面变形量的影响针对本文研究的1219mm管径X80埋地管道,以典型的径厚比(20、40、50、66.25、90、120、140、160)为研究对象对模型管道施加临界载荷,应用管道截面稳定性判定标准,并充分考虑D1、D2、D3、D4级管径偏差的影响,对X80管道临界径厚比进行讨论。研究发现:管道水平直径方向变形量,即水平挠度是判定截面稳定性的重要指标,在本文常规静力载荷条件下,管道截面水平直径方向变形量大于竖直方向;在冲击载荷条件下,截面水平直径方向变形速度快于竖直方向;依据极端载荷条件下截面水平直径方向变形量与管道外径的比值△x/D随径厚比的变化关系可知,不考虑初始椭圆度情况1219mm管径X80埋地管道临界径厚比为90,考虑D1、D2、D3、D4级管径偏差初始椭圆度1219mm管径X80埋地管道临界径厚比分别为20、35、45、57。上述研究为大口径高等级钢埋地管道径厚比设计提供借鉴。
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