CN113094918A - 一种海洋深水湿式保温管设计外压的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋深水湿式保温管研究方法，具体涉及一种海洋深水湿式保温管设计外压的确定方法。本发明提出了湿式保温管的保温层与钢管结合处的径向应力、环向应力、轴向应力与位移公式，增加了判断径向应力增大的条件公式，从而可研究此类管道的应力和位移沿径向的分布规律以及各层管道的物理参数对应力与位移的影响，根据现行湿式保温管外压设计规范中未考虑压力增大的情况，提出一种海洋湿式保温管设计外压的确定方法。通过该确定方法得到的设计外压小于现行的取值方法，比现行方法更符合工程实际。

Description

一种海洋深水湿式保温管设计外压的确定方法

技术领域

本发明涉及一种海洋深水湿式保温管研究方法，具体涉及一种海洋深水湿式保温管设计外压的确定方法。

背景技术

下列公式是现行的海洋深水湿式保温管设计外压确定方法：

海洋管道在安装过程中没有内压，此时内外压差最大，最容易发生压溃。API-RP-1111规定的外压极限状态设计标准为：

(P_o-P_i)≤f_oP′_c (1)

式中：P_o——外压；

P_i——内压；

f_o——压溃系数，无缝钢管或高频电阻焊钢管，f_o＝0.7；冷扩钢管和双面埋弧焊钢管，f_o＝0.6；

P′_c——压溃压力，可按下式近似计算：

其中

式中：P_y——压溃时的屈服压力；

P_e——弹性压溃压力；

S——屈服强度；

t——公称壁厚；

D——公称直径；

E——弹性模量；

μ——泊松比。

该方法取保温层外表面所受的海水压力作为钢管的设计外压，且只考虑钢管的承载能力，而将保温层视为安全储备，即只需保证钢管在直接承受海水压力的条件下满足设计规范管道整体自然满足规范要求。

但实际上对于湿式保温管而言，由外部海水压力产生的径向应力由外向内沿径向先增大后减小，在保温层与钢管结合处达到最大值，因此，实际作用在钢管上的压力大于作用在保温层上的海水压力，直接取外部海水压力作为钢管的设计外压是偏于不安全的。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种海洋深水湿式保温管设计外压的确定方法。

本发明的技术方案为：

本发明提供了一种海洋深水湿式保温管设计外压的确定方法，包括如下步骤：

步骤1：确定单层材料的厚壁筒的应力以及位移，利用拉梅公式，计算厚壁筒受均匀内外压作用时的应力以及位移，公式如下：

式中：σ_r——径向应力；

σ_θ——环向应力；

σ_z——轴向应力；

u_r——位移；

P_b——外压；

P_a——内压；

a——管道内半径；

b——管道外半径；

r——任一点位置处的半径；

E——弹性模量；

μ——泊松比；

步骤2：确定外层为保温层、内层为钢管的海洋深水湿式保温管的应力以及位移；

海洋深水湿式保温管可视为由两种材料管道组合而成的两层复合管；外层管的内压与内层管的外压大小相等。根据弹性力学的变形协调条件，在两种材料管道的结合处位移应当相等，即

u_c1＝u_c2 (9)

式中：u_c1——两种材料管道结合处的保温层位移；

u_c2——两种材料管道结合处的钢管位移；

将u_c1、u_c2分别带入式(8)，令其相等，得到如下关系式：

将式(10)化简、整理得到两种材料管道结合处的径向应力表达式：

将P_c带入式(6)中，得到两种材料管道结合处的环向应力表达式：

将P_c带入式(7)中，得到两种材料管道结合处的轴向应力表达式：

同理，将P_c带入式(8)中，得到两种材料管道结合处的位移表达式：

式中：P_c——径向应力；

P_ct——环向应力；

P_cz-轴向应力；

u_c——位移；

P_b——外压；

P_a——内压；

a——管道内半径；

b——管道外半径；

c——保温层与钢管结合处的半径；

E₁——保温层材料弹性模量；

μ₁——保温层材料泊松比；

E₂——钢管弹性模量；

μ₂——钢管泊松比；

步骤3：确定应力与位移沿管道径向的分布情况；

式(11)中P_c表示两种材料管道结合处径向应力，即保温层与钢管结合处的径向应力，该值由内外压引起，受各层壁厚、弹性模量与泊松比影响；两种材料管道结合处的径向应力P_c是否会增大，取决于钢管与保温层的弹性模量的比值，对于式(11)，令P_c＝P_b，可得到临界状态下钢管与保温层的弹性模量的比值，整理得到如下关系式：

该比值为一常数，为方便表示，令

则当

时，P_c＜P_b；当

时，P_c＝P_b；当

时，P_c＞P_b；

对于湿式保温管，钢管与保温层的弹性模量之比较大；因此，由外部海水压力引起的径向应力沿保温层向内递增，在保温层与钢管的结合处达到最大值，此时作用在钢管上的压力大于作用于保温层上的海水压力，在湿式保温管的设计外压取值时应予以考虑；

步骤4：考虑保温层对径向应力的放大作用后，即当

时，P_c＞P_b，将式(11)带入API-RP-1111规定的外压极限状态设计标准式(1)中，确定湿式保温管设计外压的计算公式如下：

若内压为零，则

式中：P′_o——设计外压；

a——管道内半径；

b——管道外半径；

c——保温层与钢管结合处的半径；

E₁——保温层材料弹性模量；

μ₁——保温层材料泊松比；

E₂——内层钢管弹性模量；

μ₂——内层钢管泊松比；

P_i——内压；

f_o——压溃系数，无缝钢管或高频电阻焊钢管，f_o＝0.7；冷扩钢管和双面埋弧焊钢管，f_o＝0.6；

P′_c——压溃压力，按下式近似计算：

其中

式中：P_y——压溃时的屈服压力；

P_e——弹性压溃压力；

S——屈服强度；

t₂——钢管壁厚；

D——钢管内径。

本发明揭示了海洋深水湿式保温管径向应力增大现象。由不同材料管道叠套在一起的多层复合管道受均匀内、外压作用时，应力与位移沿径向的分布规律会受到每层管道壁厚、弹性模量以及泊松比的影响。以海洋深水湿式保温管为例，湿式保温管是由有机材料的外保温层与钢管复合而成的两层复合管道，受均匀外压作用时，如果钢管的弹性模量与外保温层材料的弹性模量之比大于某一数值，其径向应力沿径向向内先增大后减小，在保温层与钢管的结合处达到最大值，即钢管外表面受到的压力大于保温层外表面受到的压力，并且两者的弹性模量之比越大时，结合处径向应力的增值越大。这个径向应力被保温层放大的现象增大了作用在钢管外表面的压力，不利于管道整体抗压。

揭示了海洋深水湿式保温管应力与位移沿径向的分布规律。提出湿式保温管两种材料管道结合处的应力与位移解析解，并得到应力与位移沿径向的分布规律，研究湿式保温管在均布荷载作用下的承载性能。

解决了海洋深水湿式保温管设计外压的正确取值。湿式保温管是一种外层非金属、内层金属材料的复合管道。根据API(American Petroleum Institute)规范，湿式保温管设计外压的确定方法只考虑了内部钢管所受的压力，在设计海管时将保温层视为安全储备，即只需保证内部钢管满足设计规范，管道整体自然满足规范要求。但实际上，保温材料的泊松比、壁厚以及弹性模量对保温层与钢管结合处的径向应力的影响较大，湿式保温管中的外部非金属材料对管道整体抗压溃性能有不利影响，以至于在某些情况下，对于相同尺寸的钢管，外部附加保温层后的整体压溃值比纯钢管有所减小。根据现行湿式保温管外压设计规范中未考虑压力增大的情况，结合解析解，修正当前外压设计公式，提出一种新的海洋湿式保温管外压设计确定方法。

综上所述，本发明提出了湿式保温管的保温层与钢管结合处的径向应力、环向应力、轴向应力与位移公式，增加了判断径向应力增大的条件公式，从而可研究此类管道的应力和位移沿径向的分布规律以及各层管道的物理参数对应力与位移的影响。根据现行湿式保温管外压设计规范中未考虑压力增大的情况，提出一种海洋湿式保温管设计外压的确定方法。通过该方法得到的设计外压小于现行的取值方法，比现行方法更符合工程实际。

附图说明

图1是本发明一实施例海洋深水湿式保温管结构示意图。

图中，1、外层；2、内层。

具体实施方式

为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

当前在设计海洋深水湿式保温管时，认为钢管所受压力为作用在保温层外表面的海水压力，未考虑径向应力沿管道径向的增大现象。根据API规范，作用于钢管外表面的压力直接取保温层外表面的海水压力，且计算所得极限外压为作用在钢管的容许最大压力。但对于湿式保温管而言，由海水压力产生的径向应力沿径向从外向内递增，在保温层与钢管结合处达到最大值。因此，实际作用在钢管上的压力大于海水压力。根据此现象，本发明提出了海洋深水湿式保温管的保温层与钢管结合处的径向应力、环向应力、轴向应力和位移计算公式，进而提出一种海洋深水湿式保温管设计外压的确定方法。

对于单层材料的厚壁筒，现已有解析解，即拉梅公式，该公式可计算厚壁筒受均匀内外压作用时的应力以及位移。

式中：σ_r——径向应力；

σ_θ——环向应力；

σ_z——轴向应力；

u_r——位移；

P_b——外压；

P_a——内压；

a——管道内半径；

b——管道外半径；

r——任一点位置处的半径；

E——弹性模量；

μ——泊松比。

如图1所示，对于外层为保温层、内层为钢管的海洋深水湿式保温管，可将其视为由两种材料管道组合而成的两层复合管。因此，外层管的内压与内层管的外压大小相等。根据变形协调条件，在两种材料管道的结合处位移应当相等，即

u_c1＝u_c2 (9)

式中：u_c1——两种材料管道结合处的保温层位移；

u_c2——两种材料管道结合处的钢管位移。

将u_c1、u_c2分别带入式(8)，令其相等，得到如下关系式：

将式(10)化简、整理得到两种材料管道结合处的径向应力表达式：

将P_c带入式(6)中，得到两种材料管道结合处的环向应力表达式：

将P_c带入式(7)中，得到两种材料管道结合处的轴向应力表达式：

同理，将P_c带入式(8)中，得到两种材料管道结合处的位移表达式：

式中：P_c——径向应力；

P_ct——环向应力；

P_cz——轴向应力；

u_c——位移；

P_b——外压；

P_a——内压；

a——管道内半径；

b——管道外半径；

c——保温层与钢管结合处的半径；

E₁——保温层材料弹性模量；

μ₁——保温层材料泊松比；

E₂——钢管弹性模量；

μ₂——钢管泊松比。

式(11)中P_c表示两种材料管道结合处径向应力，即保温层与钢管结合处的径向应力，该值由内外压引起，受各层壁厚、弹性模量与泊松比影响。两种材料管道结合处的径向应力P_c是否会增大，取决于钢管与保温层的弹性模量的比值，对于式(11)，令P_c＝P_b，可得到临界状态下钢管与保温层的弹性模量的比值，整理得到如下关系式：

该比值为一常数，为方便表示，令

则当

时，P_c＜P_b；当

时，P_c＝P_b；当

时，P_c＞P_b。

因此，由外部海水压力引起的径向应力沿保温层向内递增，在保温层与钢管的结合处达到最大值，此时作用在钢管上的压力大于作用于保温层上的海水压力，在湿式保温立管的设计外压取值时应予以考虑。

考虑保温层对径向应力的放大作用后，即当

时，P_c＞P_b，将式(11)带入API-RP-1111规定的外压极限状态设计标准式(1)中，得到湿式保温管设计外压的计算公式如下：

若内压为零，则

式中：P′_o——设计外压；

a——管道内半径；

b——管道外半径；

C——保温层与钢管结合处的半径；

E₁——保温层材料弹性模量；

μ₁——保温层材料泊松比；

E₂——内层钢管弹性模量；

μ₂——内层钢管泊松比。

P_i——内压；

f_o——压溃系数，无缝钢管或高频电阻焊钢管，f_o＝0.7；冷扩钢管和双面埋弧焊钢管，f_o＝0.6；

P′_c——压溃压力，按下式近似计算：

其中

式中：P_y——压溃时的屈服压力；

P_e——弹性压溃压力；

S——屈服强度；

t₂——钢管壁厚；

D——钢管内径。

通过该湿式保温管设计外压确定方法得到的钢管设计压力考虑了保温层对海水压力引起的径向应力的影响，所得结果小于现行确定方法，且符合工程实际。

因此，对于湿式保温管的设计，将海水压力作为钢管的设计外压是偏于不安全的，需通过计算得到经保温层放大后的、作用在钢管上的径向应力，将该应力作为钢管的设计外压进行湿式保温管设计。

本申请提出海洋深水湿式保温管保温层与钢管结合处径向应力、环向应力、轴向应力与位移解析解，从而可研究应力与位移沿管径方向的分布规律。另外，根据现行湿式保温管设计规范中未考虑保温层导致压力增大的情况，结合解析解，建立了由两种材料管道组合的复合管设计外压计算公式和压力在保温层内增大与否的判断公式，提出一种海洋深水湿式保温管设计外压确定方法，并为修订海洋深水湿式保温管外压极限状态下的设计标准提供参考。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种海洋深水湿式保温管设计外压的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：确定单层材料的厚壁筒的应力以及位移，利用拉梅公式，计算厚壁筒受均匀内外压作用时的应力以及位移，公式如下：

式中：σ_r——径向应力；

σ_θ——环向应力；

σ_z——轴向应力；

u_r——位移；

P_b——外压；

P_a——内压；

a——管道内半径；

b——管道外半径；

r——任一点位置处的半径；

E——弹性模量；

μ——泊松比；

步骤2：确定外层为保温层、内层为钢管的海洋深水湿式保温管的应力以及位移；

海洋深水湿式保温管可视为由两种材料管道组合而成的两层复合管；外层管的内压与内层管的外压大小相等；根据弹性力学的变形协调条件，在两种材料管道的结合处位移应当相等，即

u_c1＝u_c2 (5)

式中：u_c1——两种材料管道结合处的保温层位移；

u_c2——两种材料管道结合处的钢管位移；

将u_c1、u_c2分别带入式(4)，令其相等，得到如下关系式：

将式(6)化简、整理得到两种材料管道结合处的径向应力表达式：

将P_c带入式(2)中，得到两种材料管道结合处的环向应力表达式：

将P_c带入式(3)中，得到两种材料管道结合处的轴向应力表达式：

同理，将P_c带入式(4)中，得到两种材料管道结合处的位移表达式：

式中：P_c——径向应力；

P_ct——环向应力；

P_cz——轴向应力；

u_c——位移；

P_b——外压；

P_a——内压；

a——管道内半径；

b——管道外半径；

c——保温层与钢管结合处的半径；

E₁——保温层材料弹性模量；

μ₁——保温层材料泊松比；

E₂——钢管弹性模量；

μ₂——钢管泊松比；

步骤3：确定应力与位移沿管道径向的分布情况；

式(7)中P_c表示两种材料管道结合处径向应力，即保温层与钢管结合处的径向应力，该值由内外压引起，受各层壁厚、弹性模量与泊松比影响；两种材料管道结合处的径向应力P_c是否会增大，取决于钢管与保温层的弹性模量的比值，对于式(7)，令P_c＝P_b，可得到临界状态下钢管与保温层的弹性模量的比值，整理得到如下关系式：

该比值为一常数，为方便表示，令

则当

时，P_c<P_b；当

时，P_c＝P_b；当

时，P_c>P_b；

对于湿式保温管，钢管与保温层的弹性模量之比较大；因此，由外部海水压力引起的径向应力沿保温层向内递增，在保温层与钢管的结合处达到最大值，此时作用在钢管上的压力大于作用于保温层上的海水压力，在湿式保温管的设计外压取值时应予以考虑；

步骤4：考虑保温层对径向应力的放大作用后，即当

时，P_c>P_b，将式(7)带入API-RP-1111规定的外压极限状态设计标准公式中，确定湿式保温管设计外压的计算公式如下：

若内压为零，则

式中：P′_o——设计外压；

a——管道内半径；

b——管道外半径；

c——保温层与钢管结合处的半径；

E₁——保温层材料弹性模量；

μ₁——保温层材料泊松比；

E₂——钢管弹性模量；

μ₂——钢管泊松比；

P_i——内压；

f_o——压溃系数，无缝钢管或高频电阻焊钢管，f_o＝0.7；冷扩钢管和双面埋弧焊钢管，f_o＝0.6；

P′_c——压溃压力，按下式近似计算：

其中

式中：P_y——压溃时的屈服压力；

P_e——弹性压溃压力；

S——屈服强度；

t₂——钢管壁厚；

D——钢管内径。

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