[发明专利]一种完好钢制管道极限内压的计算方法

摘要

一种完好钢制管道极限内压的计算方法，其属于管道施工技术领域。该方法在统一强度理论基础上，考虑钢制管道壁厚和真实应变的基础上，推导出完好封闭管道和开放管道的极限内压解析解。对实际完好管道内压破坏数据进行反演分析，得到不同强化指数n的钢制管道适应的屈服准则，并结合极限内压计算公式，得到封闭管道和开放管道极限内压范围。在考虑钢制管道壁厚影响和内压失效时真实应变的基础上推导出完好管道极限内压计算方法，结果更为准确。根据不同材料属性钢制管道内压破坏时适应的屈服准则的不同，通过对实际爆破试验数据统计，对封闭管道爆破压力给出上下限取值范围，更符合实际，而且便于设计人员和施工人员参考。

主权项

1.一种完好钢制管道极限内压的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：在考虑壁厚和管道真实应变对内压荷载影响的基础上，得到完好封闭管道和开放管道的极限内压计算方法，得到采用基于统一强度准则的完好管道的极限内压荷载表示方法:A)统一强度理论USC的等效应力σUE定义为：其中，σ1，σ2和σ3是主应力，并且σ1≥σ2≥σ3，α＝σt/σc是材料的拉压强度比，其中σt和σc分别是单轴拉伸和压缩的强度，且0＜α≤1；该参数α是材料的SD效应指数，b是反应中间主剪应力以及相应面上的最大和最小正应力对材料破坏影响程度的材料参数；B)在内压荷载作用下，采用幂次强化模型来表示应变强化效应，幕次强化模型表示为：σ′＝K(ε′)n，其中：K为强化系数，n为强化指数，σ′为真实应力，ε′为真实应变；管道式薄壁结构，由平衡方程可知：其中：D'为管道在内压荷载作用下发生变形后的外直径；t'为发生变形后的管道厚度；σθ为管道环向应力，σz为轴向应力，σr为径向应力。该平衡方程在弹性阶段和塑性阶段都成立，同时适用于小应变理论和有限应变理论；在管道发生大的塑性变形时，管材可近似认为不可压缩，εθ+εr+εz＝0，轴向应变很小可以忽略不计εz≈0，因此εθ＝‑εr。εθ为环向应变，εz为轴向应变，εr为径向应力。根据有限应变理论，管道的应变可以表示为：同理：ε₂＝ε_z＝0,其中：D为管道发生变形前的外直径；t为发生变形前的管道厚度；C)因为根据式(1)、(2)，此时的USC的等效应力为基于Hill的塑性功假设和薄壁管道的应力和应变状态，有：σUEεUE＝σε＝σ1ε1其中，ε_UE表示USC的等效应变：根据(3)，由此得到：D)根据式(2)、(4)，管道内压可以表示为：当爆破时效压力P取到极值时，对式(10)等效应变εUE求导数为0，即：管道的应力应变真实值和工程值的关系可以表示为:ε′＝ln(1+ε)；σ′＝σ(1+ε)其中:ε′为真实应变；ε为工程应变；σ′为真实应力；σ为工程应力；得到工程应力应变表示的本构模型：对管材进行拉伸实验时，当工程应力和应变达到极限值σu和εu，发生颈缩，以后阶段工程应力逐渐减少，而工程应变迅速增加，此时可以认为管材发生失效破坏，定义为当σ＝σ_u,ε＝ε_u从而可以得到：n＝ln(1+εu)＝εu′   (6)其中εu′是极限拉应变真实值，于是可得到：因此强化系数可以表示为:E)将(7)代入式(5)，可以得到基于统一强度准则的完好管道的极限内压荷载:F)对于钢材料可近似看做拉压同性材料，即α＝1，b决定了中间主应力对爆破压力和强度准则的影响；因此采用基于统一强度准则的完好管道的极限内压荷载表示方法:其中，n为强度指数，b是反应中间主剪应力以及相应面上的最大和最小正应力对材料破坏影响程度的材料参数，D为管道发生变形前的外直径；t为发生变形前的管道厚度，σu为工程应力极限值；(1)当b＝0时，统一解为基于Tresca准则的爆破压力解：(2)当时，统一解为基于von Mises准则的爆破压力解：(3)当时，统一解为基于ASSY准则的爆破压力解:(4)当b＝1时，统一解为基于TSSY准则下的爆破压力:G)两端开放管道由于两端不承受荷载，σ₁＝σ_z＝0,σ₃＝σ_r＝P≈0所以解析解与强度理论无关，两端开口无缺陷管道压力解为：H)根据实际完好管道内压破坏实验数据，得到不同强度指数n的管材适应的屈服准则范围：(1)当0≤n＜0.06时，该类型管材在进行管道爆破压力预测时，运用ASSY准则得到爆破压力的上限，运用Tresca准则得到爆破压力下限；(2)当0.06≤n＜0.11时，该类型管材在进行管道爆破压力预测时，运用Mises准则得到爆破压力的上限，运用Tresca准则得到爆破压力下限；(3)当0.11≤n＜0.18时，该类型管材在进行管道爆破压力预测时，运用ASSY准则得到爆破压力的上限，运用Tresca准则得到爆破压力下限。