[发明专利]一种海洋深水湿式保温管设计外压的确定方法

权利要求书

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，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_cP_b；当时，P_c＝P_b；当时，P_cP_b；

对于湿式保温管，钢管与保温层的弹性模量之比因此，由外部海水压力P_b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考虑作用在钢管上的压力大于作用于保温层上的海水压力；

步骤4：外压极限状态设计标准公式为：

(P_o-P_i)≤f_oP′_c (12)

考虑保温层对径向应力的放大作用后，即当时，P_cP_b，将式(7)带入式(12)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。