管道設計論文：管道設計方法思考
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本文作者：張宏、崔紅升 單位:中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院、中國石油天然氣與管道分公司
隨著管道工程的發展，其敷設地段的地質條件越來越惡劣，不可避免地需要穿越強震區、活動斷裂帶、滑坡、泥石流、凍土、沙漠、巖溶、采空區等各種地質災害易發地區。一旦這些地質災害發生，管道將承受較大的應力而超過管材的許用應力甚至屈服。如果仍然采用傳統的基于應力的設計方法，就會導致因實際發生概率較低的嚴重地質災害而使管道建設成本過高，在工程中無法實現。
基于應變的管道設計方法來源于關于極限狀態的設計思想。極限狀態指工程結構處于某種不能繼續提供原本所能提供功能的臨界狀態，達到或逾越了該臨界狀態，結構可能產生特定形式的失效。在DNV-OS-F101-2005、CSA-Z662-2011等管道標準[4-5]中將管道極限狀態分為適用極限狀態和臨界極限狀態。適用極限狀態指仍能夠保持管道一定使用功能的極限狀態，而臨界極限狀態指管道完全失去功能的極限狀態，如管道彎曲時截面的橢圓化失穩、拉伸時斷裂和壓縮時產生屈曲折皺及疲勞斷裂等，這些破壞形式是管道使用中決不允許出現的。理論上，管道達到臨界極限狀態前均應該是適用的，但基于安全的考慮，為防止管道達到臨界極限狀態，類似于基于應力設計時采用設計系數一樣，上述規范設定了適用極限狀態，允許管道的應力達到或超過屈服應力而進入彈塑性狀態，但不會達到臨界極限狀態，仍能維持管道運行，不會引起泄漏、火災、爆炸、污染等次生災害，為地質災害發生后對管道進行維搶修提供條件。為此，提出了基于應變的管道強度設計方法。當處于適用極限狀態的管材已經超過屈服極限而處于塑性變形階段時，管材的應力應變曲線比較平緩，如仍采用應力作為控制參量，微小的應力誤差將產生較大的應變誤差，很容易使管道達到臨界極限狀態，因此將應變作為控制參量是適宜的。目前，除上述兩個標準之外，采用基于應變的管道設計的標準還有美國APIRP1111-199《9碳氫化合物海底管道設計、建設、運行和維修》、美國ASCE《埋地管道設計導則》、ASMEB31.8-2000、API1104-2005和ABS2006，英國BS8010-1993，德國GL-CodeⅢ/4，澳大利亞AS2885和AS1958等。全球采用基于應變的設計方法設計的管道超過了10條，包括BP-Northstar、Enbrige-NormanWell等[6]。我國西氣東輸二線工程穿越強震區和活動斷層的管段，首次采用了基于應變的管道強度設計方法。
基于應變的管道強度設計方法的數學表達式與基于應力的方法類似：ε≤[ε]＝Fεs（3）式中：ε為各種載荷作用時管道可能產生的最大應變，與載荷大小、管道結構及尺寸、管材特性以及管道的失效形式（如截面橢圓化、拉裂、壓縮屈曲）相關，可通過建立相應的管道力學模型及分析計算獲得；εs為管材所能承受的極限應變，與管道材料特性、焊接方式、管材及焊接缺陷以及管道的失效形式相關，一般通過對管材的試驗測試獲得；F為設計系數，其選取與管道可承受風險或經濟性相關，可通過研究并制定相應的標準確定。由式（3）可以求得確定載荷作用下的管道應變、管材的極限應變和安全系數。
基于應力和基于應變兩種設計方法的最主要區別：①工作區域不同，對于純彈性設計的構件而言，基于應力和基于應變的強度設計是相同的，因此基于應變的強度設計一定是針對處于彈塑性狀態的構件而言的。②控制參量不同，基于應力的強度設計的控制參量為管道等效應力，適合的載荷形式為不同形式的力（內壓、溫度等）；基于應變的強度設計的控制參量為管道的軸向應變，適合的載荷形式通常為土壤位移。因此，基于應變的管道強度設計主要適用于以下3個條件均滿足的情況：①受位移控制的載荷作用下的結構，如土壤位移；②該載荷大小一定會造成構件進入彈塑性狀態，如重大地質災害；③過大的應變會使構件達到某種工程中不允許的危險狀態，如管道破裂。基于應變的強度設計并不能完全代替基于應力的強度設計，因為基于應變的強度設計只適合特定的載荷條件，是基于應力的管道強度設計方法的一個補充。一般情況下，仍應該首先考慮采用基于應力的設計。
在DNV-OS-F101和CSA-Z662標準中，既包括基于應力的設計準則，又包括基于應變的設計準則。因此，采用基于應變的強度設計應注意以下幾點：①基于應變的設計方法是基于應力的設計方法難以滿足管道強度要求時而采用的，并非為了充分利用管道材料性能而采用的，在管道設計中提高設計系數才是為了充分利用管材性能。②穿越地質災害易發地段的管道并不一定要用基于應變的設計，采用何種設計方法取決于地質災害發生的風險（概率及一旦災害發生時的載荷大?。?、管道的安全性、防止該災害發生的成本以及工程可操作性的比較與平衡，如果能用可接受的成本采取工程措施保證管道在地質災害發生時的安全性，還是應該采用基于應力的設計。③采用基于應變的管道強度設計方法，為滿足式（3），可采取措施降低管道的應變水平，包括增加管道壁厚，預防地震波時采用寬溝、淺埋和土壤換填，預防斷層滑移時選取合理的管道穿越角度，預防凍土凍脹融沉時采用換土或增加差異性過渡段的長度等。同時，也可提高管材承受應變的能力，如采用抗大變形鋼。在工程實際中，具體采用何種設計方法還是必須同時采用兩種方法，應考慮管道建設施工的成本和可行性，并不是采用基于應變的強度設計就必須用抗大變形鋼。
