管線力學(xué)

前言

作為五大運(yùn)輸方式之一的管道運(yùn)輸，是油氣資源配送的主要方式，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位.近年來，隨著“西氣東輸”等一批重要油氣長距離輸送管線的建成與投產(chǎn)，我國已形成遍布全國并連接國外的油氣輸送管網(wǎng)，促進(jìn)了社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改善了人民生活.油氣管線在帶來巨大好處的同時，由于輸送介質(zhì)的易燃、易爆特性，一旦失效，可能引發(fā)人員傷亡和環(huán)境污染等災(zāi)難性事故，因此，油氣管線的安全可靠性歷來受到高度關(guān)注，管線力學(xué)研究管道的失效方式與安全承壓能力，是保障油氣輸送管線安全性的必備理論基礎(chǔ)。世界范圍的油氣管線建設(shè)的高速發(fā)展極大促進(jìn)了力學(xué)理論與方法在管線中的應(yīng)用.例如，早期建成的油氣管線，隨著其服役時間的延長，腐蝕或第三方破壞等問題對管線的影響日漸突出，為保障在役管線的安全運(yùn)行并延長其使用壽命，需要進(jìn)行管線剩余強(qiáng)度和剩余壽命的評價；再者，新建油氣管線向高壓、大口徑和薄壁的發(fā)展趨勢，要求大量采用高強(qiáng)度和高韌性管材，因而斷裂控制和安全可靠性理論等成為管線設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵因素；此外，因沿線自然環(huán)境變化或生產(chǎn)建設(shè)活動，油氣輸送管線可能遭遇不良地質(zhì)環(huán)境等復(fù)雜情況，合理評價不良地質(zhì)條件對管線的影響，既是管線工程設(shè)計(jì)也是管理維護(hù)的依據(jù)，所有這些重大的工程需求，給力學(xué)分析方法提出了許多挑戰(zhàn)性的問題。經(jīng)過長期發(fā)展，油氣管線的力學(xué)分析已經(jīng)涵蓋了固體力學(xué)的許多分支，從材料力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)到結(jié)構(gòu)力學(xué)，從理論分析、數(shù)值模擬到實(shí)驗(yàn)研究，每一個方面在油氣管線的工程分析中都有廣泛而深入的應(yīng)用。例如，在管道中的失效模式一般涉及塑性失穩(wěn)、斷裂和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還由于其特殊的服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管道中還有裂紋動態(tài)擴(kuò)展等問題，與之相關(guān)的研究實(shí)際上處于相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域前沿。系統(tǒng)總結(jié)在油氣輸送管線的設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行管理中遇到的力學(xué)問題，闡述其解決方法和共同的理論基礎(chǔ)，有利于推動管線力學(xué)研究體系的逐步完善和研究內(nèi)容的不斷深化，提升油氣管線工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的技術(shù)水平。本書力圖概括油氣輸送管線工程設(shè)計(jì)和安全評價中的主要力學(xué)理論與方法，主要材料來源于作者近年來完成的科研課題、學(xué)術(shù)論文以及所指導(dǎo)和合作指導(dǎo)的博士、碩士研究生的學(xué)位論文，此外，還參考了一定數(shù)量的國內(nèi)外文獻(xiàn)。

內(nèi)容概要

本書主要內(nèi)容為管道失效判據(jù)、含缺陷(體積型缺陷、面積型缺陷、幾何凹陷)管道和管道修復(fù)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度評價和剩余壽命評價、輸氣管道的止裂控制、災(zāi)害地質(zhì)條件(采空沉陷、占壓、凍土、地震波等)作用下管道的應(yīng)力與應(yīng)變分析以及海底管道的若干力學(xué)問題，其中包括基于可靠性的評價方法，內(nèi)容涵蓋了油氣輸送管線工程設(shè)計(jì)和安全評價中的主要力學(xué)理論與方法。    本書可供油氣儲運(yùn)工程專業(yè)及其相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員、研究人員、大專院校的教師、研究生和高年級大學(xué)生參考。

作者簡介

帥健，中國石油大學(xué)(北京)教授，博士生導(dǎo)師。國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備安全技術(shù)委員會委員，中國能源學(xué)會理事，中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會理事、氫脆與應(yīng)力腐蝕專業(yè)委員會委員，中國力學(xué)學(xué)會MTS材料試驗(yàn)專業(yè)委員會委員。 
    分別于1982年、1987年和2000年獲武漢化工學(xué)院化工機(jī)械專業(yè)學(xué)士學(xué)位、中國石油大學(xué)石油機(jī)械專業(yè)碩士學(xué)位和油氣儲運(yùn)工程專業(yè)博士學(xué)位。 
    長期從事工程力學(xué)和油氣儲運(yùn)安全的教學(xué)和科研工作，先后開設(shè)了管道與儲罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)、管道完整性管理、彈塑性力學(xué)等8門課程?！敖蛔儎虞d荷作用對在役輸油管道的影響研究”等5項(xiàng)研究獲省部級科技進(jìn)步獎，主編教材《管道與儲罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)》，出版專著《管線力學(xué)》和《國內(nèi)外壓力管道完整性檢測評價標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)比較研究手冊》，發(fā)表論文120余篇。 
    主持國家科技支撐計(jì)劃、中石油和中石化科技開發(fā)等20余項(xiàng)高層次項(xiàng)目的研究工作，在油氣管道和儲罐強(qiáng)度、失效分析和安全評價等方面取得了較好的理論創(chuàng)新和應(yīng)用效果，部分研究成果處于國際先進(jìn)或國內(nèi)領(lǐng)先水平。

書籍目錄

叢書序前言第1章  管道失效判據(jù)  1.1  管道的應(yīng)力-應(yīng)變曲線  1.2  基于應(yīng)力的失效判據(jù)  1.3  基于應(yīng)變的失效判據(jù)  參考文獻(xiàn)第2章  含體積型缺陷管道的剩余強(qiáng)度評價  2.1  失效壓力  2.2  評價標(biāo)準(zhǔn)及方法    2.2.1  ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)    2.2.2  DNV RP-F101標(biāo)準(zhǔn)    2.2.3  PCORRC方法  2.3  有限元分析    2.3.1  有限元建模    2.3.2  計(jì)算實(shí)例    2.3.3  擬合公式  2.4  評價方法的驗(yàn)證  2.5  組合型缺陷的評價  參考文獻(xiàn)第3章  含裂紋管道的斷裂評定  3.1  應(yīng)力強(qiáng)度因子  3.2  裂紋尖端張開位移  3.3  J積分及其全塑性解  3.4  失效評定圖方法  3.5  J積分計(jì)算的有限元方法    3.5.1  裂尖奇異單元    3.5.2  線彈簧單元  3.6  失效評定曲線的驗(yàn)證  3.7  失效評定曲線的影響因素    參考文獻(xiàn)第4章  基于可靠性的管道安全評價方法  4.1  極限狀態(tài)與失效概率  4.2  含體積型缺陷管道的失效概率    4.2.1  極限狀態(tài)方程    4.2.2  失效概率的求解方法    4.2.3  腐蝕管道失效概率的影響因素分析  4.3  分項(xiàng)安全系數(shù)法  4.4  腐蝕管道的剩余壽命預(yù)測  4.5  含面積型缺陷管道的失效概率    4.5.1  基于斷裂判據(jù)的極限狀態(tài)方程    4.5.2  Mome-Carlo模擬法    4.5.3  斷裂失效概率的影響因素分析  4.6  基于失效評定圖的失效概率分析    參考文獻(xiàn)第5章  管道的疲勞壽命預(yù)測  5.1  管道運(yùn)行壓力的循環(huán)計(jì)數(shù)  5.2  管道疲勞裂紋擴(kuò)展速率  5.3  含裂紋管道的剩余壽命預(yù)測  5.4  管道低周疲勞壽命預(yù)測    5.4.1  Manson-Coffin公式    5.4.2  管道鋼低周疲勞性能測試    5.4.3  管道的疲勞累積損傷  5.5  管材的S-N曲線  參考文獻(xiàn)第6章  凹陷管道的評價  6.1  凹陷形成的有限元模擬  6.2  外載與凹陷深度的關(guān)系  6.3  凹陷回彈  6.4  基于應(yīng)變的凹陷評估    6.4.1  凹陷應(yīng)變計(jì)算    6.4.2  凹陷輪廓曲線插值    6.4.3  凹陷的計(jì)算長度  6.5  含劃傷凹陷的評估  6.6  凹陷的疲勞    參考文獻(xiàn)第7章  管道焊接修復(fù)結(jié)構(gòu)的安全評價  7.1  管道修復(fù)結(jié)構(gòu)的全尺寸實(shí)驗(yàn)    7.1.1  試驗(yàn)方法    7.1.2  爆破情況    7.1.3  應(yīng)變測量    7.1.4  極限載荷    7.1.5  分析與討論  7.2  管道修復(fù)結(jié)構(gòu)的有限元分析    7.2.1  接管修復(fù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析    7.2.2  補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析    7.2.3  多接管修復(fù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析  7.3  管道焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力測試    參考文獻(xiàn)第8章  輸氣管道的裂紋動態(tài)擴(kuò)展及止裂  8.1  管道止裂判據(jù)    8.1.1  能量判據(jù)    8.1.2  速度判據(jù)  8.2  管道止裂韌性測試    8.2.1  夏比沖擊功    8.2.2  落錘吸收能量    8.2.3  裂紋尖端張開角  8.3  管道止裂設(shè)計(jì)    8.3.1  動態(tài)脆性斷裂的止裂設(shè)計(jì)    8.3.2  動態(tài)延性斷裂的止裂設(shè)計(jì)  8.4  富氣輸送管道的減壓行為  8.5  CTOA作為止裂判據(jù)的研究  8.6  管道裂紋動態(tài)擴(kuò)展的有限元模擬    8.6.1  氣體壓力模式    8.6.2  節(jié)點(diǎn)力釋放技術(shù)    8.6.3  裂紋驅(qū)動力計(jì)算  參考文獻(xiàn)第9章  采空沉陷區(qū)管道的應(yīng)力分析  9.1  采空沉陷及其對管道的作用    9.1.1  地表連續(xù)性移動    9.1.2  地表非連續(xù)破壞  9.2  采空沉陷預(yù)測  9.3  管一土相互作用模型  9.4  有限元分析方法  9.5  解析分析方法    9.5.1  柔性判據(jù)    9.5.2  計(jì)算方法    9.5.3  算例分析  9.6  簡化評估方法  參考文獻(xiàn)第10章  占壓管道的應(yīng)力分析  10.1  占壓載荷    10.1.1  管頂土壓力    10.1.2  附加載荷  10.2  占壓管道的截面變形    10.2.1  Spangler-Iowa方法    10.2.2  有內(nèi)壓埋地管道的截面變形  10.3  占壓管道的有限元模型    10.3.1  土體本構(gòu)模型    10.3.2  非線性接觸    10.3.3  有限元模型  參考文獻(xiàn)第11章  凍土區(qū)管道的應(yīng)力分析  11.1  管道周圍凍土溫度場分析    11.1.1  控制微分方程    11.1.2  相變問題的處理    11.1.3  計(jì)算模型  11.2  差異性凍脹下管道的應(yīng)力分析    11.2.1  凍脹量的計(jì)算    11.2.2  蠕變量的計(jì)算    11.2.3  管土系統(tǒng)有限元模型  11.3  地基融沉?xí)r管道的應(yīng)力分析  參考文獻(xiàn)第12章  地震波動下的管道隨機(jī)振動分析  12.1  管道振動的基本方程及其特征解    12.1.1  軸向振動    12.1.2  橫向振動  12.2  地震地面隨機(jī)運(yùn)動    12.2.1  地震動平穩(wěn)自功率譜    12.2.2  非平穩(wěn)地震隨機(jī)過程    12.2.3  地震動的空間相關(guān)性  12.3  埋地管道的平穩(wěn)隨機(jī)振動    12.3.1  軸向振動    12.3.2  橫向振動  12.4  埋地管道的非平穩(wěn)隨機(jī)振動  12.5  參數(shù)隨機(jī)變化的振動分析  參考文獻(xiàn)第13章  海底管道的若千力學(xué)問題  13.1  鋪管船法鋪管時的應(yīng)力分析  13.2  挖溝鋪設(shè)時管道的應(yīng)力分析  13.3  海底管道的上浮屈曲  13.4  海底管道起吊時最佳吊點(diǎn)位置的選擇  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：安全評價的目的是保證管道的安全可靠性，然而，應(yīng)該認(rèn)識到，由于在役油氣管線的腐蝕及運(yùn)行狀況相當(dāng)復(fù)雜，因而影響管線安全的各種因素大都具有不確定性，在管線的安全評價中，如果采用確定性的方法，則當(dāng)各種影響因素的不確定性較小時，評定的結(jié)果可能偏于保守；當(dāng)各種因素的不確定性嚴(yán)重時，評定的結(jié)果又偏于不安全，而采用可靠性的方法，能夠?qū)τ诟鞣N因素的不確定性給予恰當(dāng)?shù)牧炕?，限制出現(xiàn)不可接受的風(fēng)險后果。由于含體積型缺陷和含裂紋（面積型）缺陷的不同失效判據(jù)和影響因素，兩類缺陷管道的基于可靠性的評價方法是不相同的。4.1極限狀態(tài)與失效概率在結(jié)構(gòu)可靠性的一般理論中，為了正確描述結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，必須明確規(guī)定結(jié)構(gòu)安全、適用和失效的界限，這樣的界限稱為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，國標(biāo)（GB 50153-2008）對結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的定義為：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足結(jié)構(gòu)的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。不同工況和環(huán)境下，管道具有不同的載荷特點(diǎn)，呈現(xiàn)的極限狀態(tài)和失效形式也不相同，加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA-Z662將管道極限狀態(tài)劃分為最終極限狀態(tài)和服役極限狀態(tài)兩種，前者指有關(guān)爆破或破裂的狀態(tài)，包括斷裂、一次載荷造成的屈服、破裂或能造成斷裂的屈曲（如不穩(wěn)定局部屈曲，一些上浮屈曲模式）和疲勞。后者指影響正常操作或結(jié)構(gòu)連續(xù)性的狀態(tài)，包含二次載荷在內(nèi)的屈服、不能造成破裂的屈曲（如穩(wěn)定的局部屈曲，一些上浮屈曲模式）挪威船級社（DNv）標(biāo)準(zhǔn)DNv OS-F101對管道極限狀態(tài)劃分更加詳細(xì)，包括服役極限狀態(tài)、最終極限狀態(tài)、疲勞極限狀態(tài)和偶然極限狀態(tài)。其中，服役極限狀態(tài)包括橢圓化、累積塑性應(yīng)變和配重層的損壞；最終極限狀態(tài)包括爆破、局部屈曲、整體屈曲、斷裂和塑性坍塌；疲勞極限狀態(tài)指疲勞裂紋擴(kuò)展或損傷累積引起的失效；偶然極限狀態(tài)指偶然產(chǎn)生的臨界失效。

編輯推薦

《管線力學(xué)》力圖概括油氣輸送管線工程設(shè)計(jì)和安全評價中的主要力學(xué)理論與方法，主要材料來源于作者近年來完成的科研課題、學(xué)術(shù)論文以及所指導(dǎo)和合作指導(dǎo)的博士、碩士研究生的學(xué)位論文，此外，還參考了一定數(shù)量的國內(nèi)外文獻(xiàn)。讀者讀完《管線力學(xué)》后，將對油氣管線的力學(xué)分析理論有較系統(tǒng)、全面而深入的了解，并為進(jìn)一步的研究提幫助。作為五大運(yùn)輸方式之一的管道運(yùn)輸，是油氣資源配送的主要方式，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。

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