管道失稳分析

一、失稳的简介

材料力学中对于失稳的定义为:压杆丧失其直线形状的平衡而过渡为曲线平衡,称为丧失稳定,简称失稳,也称为屈曲。

对于厚壁管道来说,整体为细长结构,一旦管道受到挤压,没有足够的导向架或足够埋深,管道就会发生整体失稳;

图1 整体失稳示意

大口径薄壁管道,一旦受过度挤压,往往发生局部失稳,局部失稳往往让管道发生褶皱。

 

图2 局部失稳示意

 

二、失稳的危害

建筑中的立柱,和机械结构如塔吊中的塔都是受压元件,一旦发生失稳,结构就不再具有承载能力。

管道作为输送流体的通道,按照敷设方式的不同,可以将管线分为架空管线和埋地管线。

对于架空的厚壁小直径管道受挤压容易发生整体失稳,但是不会发生局部失稳。整体失稳导致管道左右摆龙,相当于形成了自然补偿作用,这时管道热载得到释放,不存在疲劳二次应力超标问题。

图3 连续自然补偿

但是,由于管线的整体失稳,架空管道产生了两个问题:

  • 由于侧向位移的产生,可能与其他管线或结构发生碰撞
  • 由于失稳后的管线偏离原路线,可能造成支架脱空

对于直埋管线,由于土壤作用,管道在约束段受轴向压缩作用,当压缩力过大,埋深过浅时,管线会发生整体失稳。

整体失稳时,管道会向上凸起,顶出地面。

图4 整体失稳

当直埋管线的直径较大时,就可能会发生局部失稳(褶皱)。一旦发生局部失稳,轴向压力瞬间转换为局部弯矩,管道受拉伸作用加强,不规则形状导致局部拉弯应力很高,在直埋管道容易发生应力腐蚀。且介质流动通道变化,增加流动阻力,易产生冲蚀磨损,缩短使用寿命。管道无法继续服役。

 

图5 局部失稳

三、失稳评定

管道整体失稳可采用欧拉方程分析,各个国家规范相差不大,主要区别在于局部失稳分析。

关于管道局部失稳(屈曲临界压应力)的分析,国内外有很多专家做这方面的研究,针对国内供热规范涉及到两种方法:

  • 应变控制 BS EN 13941(管道实验获得曲线A2和C1)
  • 应力控制GB 150、ASME BPVC VIII-1、CJJ/T 81(源自压力容器规范)

应变控制相对应力控制一般许用值会偏大。

  1. 应变控制BS EN 13941

欧盟针对屈服强度235Mpa的材料,对不同管径管道进行一系列的充压和升温的挤压实验,得到在不同径厚比条件下的最大允许应变,如图所示:

图6 EN应变曲线

①号曲线:局部失稳,均匀应变

②号曲线:发生棘轮效应,压力25bar,温度130℃

③号曲线:发生棘轮效应,压力25 bar,温度140℃

④号曲线:大口径管道径厚壁压应变限制C1.

鉴于大口径直埋热力管道安装的特点,针对大口径直埋锚固段受挤压作用,欧盟规范EN最后的局部稳定性控制C1考虑如下因素采用④号曲线,得到图7:

  • 管壁厚不是完全均匀
  • 管道圆度不是100%
  • 管道焊接连接不会完全对中,会有搭边焊接发生等

图7 EN规范④号曲线

此规范认为管道主要受二次压应力,满足安定性条件,假设管道在有限塑性变形的条件下总是安定在弹性范围内工作,提出许用轴向压缩应力的上限值为2倍屈服强度。

综上,可得到四个规范的许用压缩应力表达式:

  1. 应力控制几个规范对比

以R/t为横坐标,许用轴向压缩应力为纵坐标,可得到屈服强度235Mpa 的Q235材料的许用轴向压缩应力图形。

对比三个应力控制的规范,图形如下:

该规范明确讲明,来源于GB150压力容器受压圆筒许用轴向压缩应力计算公式。而GB150规定最大许用轴向压缩应力只能是材料许用拉伸应力。压力容器往往都是大口径薄壁圆筒R/t≥50居多,发生完全受压情况很少,控制要求十分严格。CJJ/T81涉及管道从小直径到大直径,范围很广,不了解GB150要求和本意,断然引用,获得的许用轴向压缩应力取值明显背离了GB150的本意和控制原则。

从另一个角度看:将EN和CJJ规范单独对比

注:EN规范只给出R/t≤50的表格,为了便于比较规范,将表格延申至R/t≤60,此为猜想结果,没有实验数据支撑,谨慎用于实际工程。图中标注R/t=28.7和50位置。

可以看出,CJJ规范许用值较EN规范更大。如φ529×7的管道,EN规范许用值约为256.5MPa,CJJ约为333.5MPa,差值77MPa。

根据以往工程中理论计算和实际验证的对比经验,由理论推导出的公式,其安全裕量应大于实验得到的数据。也就是说,相同径厚比下,公式得到的管道许用轴向压缩应力应当比欧盟实验得到的许用值要小。但上图结论和此相反。实验时管道都已经发生了失效,而理论推导公式证明仍然安全,这明显有悖科学规律。

四、结论

  • 国内一直在推行供热管道无补偿设计理论(到底无补偿设计是无补偿器,还是不做补偿,很多人都讲不清楚)。CJJ/T81旧版规范仅有直管锚固段应力检查,许用应力是3*Sh(三倍许用应力,采用安定性原则),后来国内供热工程规模越来越大,并且出现了很多大口径管道鼓包局部失稳问题,才在CJJ/T81-2013补充进来大口径管道径厚比检查分析要求。
  • 从上面管道受压失稳失效可以看出,热力管道锚固段无补偿设计,带来的隐患就是管道失稳。失稳破坏不同于反复加载的弯、扭、拉应力疲劳破坏。疲劳破坏普遍采用安定性原则来控制应力水平。而控制失稳涉及管道径厚比,埋深和轴力三方面的影响因素。失稳临界压应力大小是管道几何结构和埋深决定的,和安定性原则没有任何关系。CJJ规范编制人,将完全约束锚固段管道的失稳破坏,错误当做了疲劳破坏,导致许用轴向压缩应力上限值采用三倍许用拉伸应力。
  • 高轴力设计,对供热系统危害很大,一个是威胁管道上面的三通,阀门和大小头安全,其次威胁管道安全。一旦发生失稳变形,就会破坏外护管,且变形后的管道弯曲应力很高,高应力导致应力腐蚀和破坏。
  • 有的客户为了减小管道壁厚,采用L290高许用应力材料来替代Q235B。从上面分析可以看出,锚固段管道受压是失稳破坏,许用轴向压缩应力和管道径厚比,金属材料弹性模量有关,和许用拉伸应力没有关系,对于受压段失稳控制改进几乎没有作用。解决管道失稳的核心是柔性设计,释放管道在热胀下产生的轴力。
  • EN13941C1提供的局部失稳控制原则的最大管径仅到1000mm,实验是基于Q235材料特性获得。如果国内希望获得1200mm,1400mm或1600mm受压特性数据,需要进一步做实验。如果没有实验支撑,目前最好就是采用EN13941局部失稳的控制原则。
  • 无补偿设计(直线锚固段不释放应力,采用挤压方式)可以实现,小管径的管道由于会发生左右摆龙现象,会释放掉一部分热应力;大口径的就要加厚;如果不加厚,仍然希望直线路由安装,就得预热或采用一次性补偿器来安装。上面已经说明清楚了,实际道理十分简单,绝对不是安定性原则决定的。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

2 + = 11

This site is protected by wp-copyrightpro.com