海底管線6061鋁管壁厚壁厚計算

            6061鋁管，被用作海底管道施工技術時要求苛刻，海上工程風險高。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鋁管設計中一項重要的內(nèi)容就是管徑和壁厚的選定問題。海底管道6061鋁管的外徑主要是根據(jù)工藝流量和壓力，結合經(jīng)濟和安全兩方面因素確定，材質(zhì)主要考慮強度大小以及制造工藝的優(yōu)劣和價格因素。壁厚是管徑以外最重要的參數(shù)，設計海底輸送油氣管道的壁厚過程中，應考慮多方面的因素。

　　一、海底管道6061鋁管壁厚的影響因素
　　1.材料的許用應力
　　材料的許用應力是指材料的強度指標除以相應的安全系數(shù)而得到的值。當管道元件中的應力超過其許用應力值時，就認為其強度已不能得到保證。因此說，材料的許用應力是確定管道壁厚等級的基本參數(shù)。
　　2.腐蝕余量
　　腐蝕余量是考慮因介質(zhì)對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，或者說直接影響到壁厚等級的確定。
　　目前我國尚沒有一套有關各種腐蝕介質(zhì)在不同條件下對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)驗來確定其腐蝕余量的。
　　二、海底管線壁厚計算
　　1.水深計算
　　在校核計算滿足海底油氣管道內(nèi)壓壓裂要求的壁厚時可以不考慮水深。而在校核計算滿足管道外壓壓潰以及擴展屈曲時應考慮管道處于最大水深情況，最大水深的計算見下式：
　　最大水深=平均水深+100年一遇最大波高+風暴大潮+漲潮高度
　　2.內(nèi)壓（壓裂）設計計算
　　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－設計內(nèi)壓壓力（MPa）
　　Pe－設計外壓壓力（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)向應力（MPa）
　　F1－環(huán)向應力設計因子，數(shù)值見規(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ASME B31.8中表841.116A
　　=1.0 （溫度<250F）
　　S －管材的標定最小屈服強度（MPa），358.54MPa
　　3.外壓（壓潰）設計計算
　　規(guī)范ASME 31.8并沒有提供海底管道6061鋁管的極限外壓力設計，因此外壓設計依據(jù)Timoshenko的“穩(wěn)定性的彈性理論”進行計算。
　　極限外壓力用以下公式進行計算：
　　
　　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－管材的標定最小屈服強度（MPa），358.54MPa
　　tc－考慮腐蝕裕量的壁厚（mm）
　　4.屈曲擴展設計計算
　　管線壁厚的設計應該能滿足管線不會發(fā)生屈曲。海底管線在一定的水深條件下，當靜水壓力足夠大時就會使管線屈曲。初始屈曲壓力的大小可由Battlle公式計算：
　　
　　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.壁厚計算值的選取
　　根據(jù)以上公式計算所得壁厚值，從四個值中選取最大值做為管線壁厚的計算值，根據(jù)《DNV-OS-F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS》規(guī)范要求，確定最終壁厚。
　　三、海底管線壁厚計算的修改提議
　　目前，管線設計是根據(jù) ASME B31.8（美國機械工程師協(xié)會） 計算所需的管壁厚度或允許壓力，是一種基于允許環(huán)向應力的設計方法。當管道受到升溫及內(nèi)部壓力的綜合作用時， ASMEB31.8 并無相應的壁厚修正標準或公式。在遵循原有基本原則以及極限狀態(tài)設計概念的基礎上，建議改變 B31.8 的保守設計，在不影響管道的完整性情況下，減小管道壁厚。
　　1.引入最小壁厚設計因素
　　管線的壁厚越小，環(huán)向應力越大。設計要求由管線幾何尺寸決定的環(huán)向應力小于（或等于）允許的環(huán)向應力，從而可計算出最小的壁厚尺寸。采用 B31.8 中管道壁厚的計算標準，考慮管道制造中的公差，可以修正設計因數(shù)，增加環(huán)向應力允許值，則可減小名義壁厚的允許值。例如，管線外徑小于 20in 的焊接管或無縫管，利用修正后的公式計算，允許的環(huán)向應力可增加8.5% 。
　　2.完善環(huán)向應力計算公式
　　基于極限狀態(tài)標準的設計是管道設計規(guī)范的趨勢。保守的極限狀態(tài)設計是應用傳統(tǒng)的允許應力標準來計算材料實際的非線性特性下的應力，改進后的壁厚設計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力分布。與原有公式相比，新的環(huán)向應力計算公式提供了更經(jīng)濟的方案。
　　3.管道壁厚與溫差之間的關系
　　對于現(xiàn)代管道而言，確定管道壁厚與溫差的關系具有重要意義。 B31.8 中既不包括縱向應力和等效應力，也不包括確定受限制的管道縱向應力的計算公式，因此建議加以修訂。對于受限制的管道考慮實際的非線性特性下的應力，采用修正后的方法計算可增加允許的溫差范圍或減小需要的壁厚。
　　四、結論
　　根據(jù)上述海底管線壁厚示例計算可知，壁厚設計需考慮內(nèi)壓壓裂、外壓壓潰以及屈曲產(chǎn)生和擴展等校核計算，另外管道設計的校核也非常重要。綜上所述，海底管道6061鋁管的設計影響因素比較多，設計和施工工況比較復雜，在現(xiàn)有設計和計算流程的基礎上，逐步探索新的修改提議和方法是非常有必要的。
本文摘自中國論文網(wǎng)，原文地址：http://www.xzbu.com/2/view-3267083.htm