本發(fā)明涉及管道工程
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體而言，涉及一種熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管道設(shè)計(jì)系數(shù)的確定方法。
背景技術(shù)：
：油氣輸送管道多采用鋼管，但鋼管應(yīng)用存在腐蝕問(wèn)題、大口徑高壓力管道制管技術(shù)存在難點(diǎn)、高鋼級(jí)管材自止裂性能差等因素，其工程應(yīng)用越來(lái)越受到限制。熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管(RTP)具有優(yōu)異的自防腐性、良好的韌性和撓性、便利可靠的連接性、管壁光滑等特點(diǎn)，發(fā)展迅猛，將會(huì)在油氣輸送工程應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩。RTP管大多采用三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層通常是耐腐蝕、耐磨損的熱塑性塑料管，中間層是起增強(qiáng)作用的增強(qiáng)層，外層是起保護(hù)作用的外包覆層；其中增強(qiáng)層多使用增強(qiáng)纖維(如“芳綸纖維”，此外還可使用金屬絲等)通過(guò)纏繞、編織而成。同問(wèn)世較早的玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂管(即玻璃鋼管)相似，增強(qiáng)纖維的使用使得RTP安具有類似鋼管的承壓能力。但重量較鋼管卻大為降低，同時(shí)因管體為非金屬材料所以還避免了管體腐蝕的問(wèn)題，可以由于管材的內(nèi)層和外層使用熱塑性塑料，因此RTP管還具有柔性塑料管的可盤(pán)卷性，生產(chǎn)時(shí)單根連續(xù)長(zhǎng)度可以達(dá)到幾百米甚至超過(guò)千米而后盤(pán)卷儲(chǔ)存，這就給運(yùn)輸和鋪設(shè)提供了極大的便利。由于RTP管材的特性與鋼質(zhì)管道不同，目前的油氣輸送管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不能用于RTP管道，同時(shí)目前的RTP管道標(biāo)準(zhǔn)體系也不能完全照搬過(guò)來(lái)應(yīng)用于油氣輸送管道?，F(xiàn)有RTP管道國(guó)內(nèi)、外無(wú)明確確定設(shè)計(jì)系數(shù)的方法，如沿用PE管的使用設(shè)計(jì)系數(shù)，RTP管的強(qiáng)度便得不到充分發(fā)揮，從而限制了其適用范圍。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管道設(shè)計(jì)系數(shù)的確定方法，為以后滿足使用要求的批量管道設(shè)計(jì)系數(shù)提供了計(jì)算方法。本發(fā)明提供了一種熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管道設(shè)計(jì)系數(shù)的確定方法，其特征在于，該方法包括：步驟1，分析熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管道的載荷l，包括內(nèi)壓載荷、彎曲載荷、外壓載荷、軸向拉伸載荷、溫差載荷以及組合載荷，得到各荷載設(shè)計(jì)變量的分布狀態(tài)和特征值，同時(shí)，根據(jù)管道的材料性能分析管道各載荷抗力r，得到載荷抗力的每個(gè)設(shè)計(jì)變量的分布狀態(tài)和特征值；步驟2，建立在不同載荷情況下的極限狀態(tài)函數(shù)g、載荷概率模型和抗力概率模型，包括內(nèi)壓載荷、彎曲載荷、外壓載荷、軸向拉伸載荷、溫差載荷以及組合載荷情況；g＝r-l；(1)步驟3，根據(jù)荷載設(shè)計(jì)變量的分布狀態(tài)和特征值確定載荷的平均值μl、標(biāo)準(zhǔn)差σl和變異系數(shù)COVl，同時(shí)，根據(jù)載荷抗力設(shè)計(jì)變量的分布狀態(tài)和特征值確定載荷抗力的每個(gè)設(shè)計(jì)變量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)設(shè)計(jì)變量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)得到載荷抗力的平均值μr、標(biāo)準(zhǔn)差σr和變異系數(shù)COVr；其中，COVl＝σl/μl；(2)COVr＝σr/μr；(3)步驟4，給定目標(biāo)可靠度指標(biāo)β0，根據(jù)載荷的平均值μl、標(biāo)準(zhǔn)差σl和變異系數(shù)COVl，以及載荷抗力的平均值μr、標(biāo)準(zhǔn)差σr和變異系數(shù)COVr，由FORM方法確定載荷分項(xiàng)系數(shù)rl和抗力分項(xiàng)系數(shù)rr；其中，β0=μr-μlσr2+σl2;---(4)]]>αr=cosθr=σrσr2+σl2;---(5)]]>αl=cosθl=-σlσr2+σl2;---(6)]]>rr=1+β0COVr·αr1+krCOVr;---(7)]]>rl=1+β0COVl·αl1+klCOVl;---(8)]]>式中，kr、kl分別為抗力與荷載標(biāo)準(zhǔn)值的分位點(diǎn)系數(shù)；步驟5，采用LRFD方法確定設(shè)計(jì)系數(shù)；k＝rr·rl。作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，內(nèi)壓載荷下，抗力r為爆破壓力，載荷l為管道內(nèi)壓；抗力概率模型滿足正態(tài)分布，抗力設(shè)計(jì)變量包括d、ri、ro、α、σbg、σbp、a、N，結(jié)合管道的材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)和抗力計(jì)算模式，確定抗力的每個(gè)設(shè)計(jì)變量的概率分布；其中，d為鋼絲直徑；N為纏繞鋼絲總根數(shù)；ri為復(fù)合管內(nèi)半徑；ro為復(fù)合管外半徑；α為鋼絲纏繞方向與軸向夾角；σbg為鋼絲強(qiáng)度極限；σbp為HDPE承載應(yīng)力；a為抗力概率模型的不確定性的參數(shù)，通過(guò)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較得出；內(nèi)壓載荷概率模型滿足正態(tài)分布，載荷設(shè)計(jì)變量為管道內(nèi)壓。作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，彎曲載荷下，抗力r為相對(duì)于管道局部縱彎的臨界應(yīng)變?chǔ)與rit，載荷l為彎曲載荷引起的應(yīng)變?chǔ)舤h；受限熱膨脹所致之局部縱彎的極限狀態(tài)函數(shù)為：g＝εcrit-εth(9)ϵcrit=0.28×(tDm)/μzr;---(10)]]>εth＝R0/Rb；(11)式中，t為管道的壁厚；Dm為管道的平均直徑；μzr為管道z-r面內(nèi)泊松比；R0為RTP管外徑，Rb為彎曲半徑；彎曲載荷抗力概率模型滿足正態(tài)分布，結(jié)合管道的材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)和抗力計(jì)算模式，確定抗力的每個(gè)設(shè)計(jì)變量的概率分布，設(shè)計(jì)變量包括t、Dm；彎曲載荷概率模型滿足正態(tài)分布，載荷設(shè)計(jì)變量為曲率半徑。作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，內(nèi)壓載荷和彎曲載荷的組合載荷下，抗力r即為組合載荷作用下爆破壓力，載荷l為管道內(nèi)壓；r=a·pB=a·min(pBz,pBθ);---(12)]]>pBz=Nd2[(σbg-0.1σst)cos2α-σbp+0.1σz1]4ri2cosα+(σbp-0.1σz1)(K2-1);---(13)]]>pBθ=Nd2[(σbg-0.1σst)sin2α-σbp]4ri(ri+ro)cosα+σbp(K-1);---(14)]]>K=rori;---(15)]]>σst＝Estεst；(16)εst＝εz2cosα；(17)ϵz2=32MD1π(EZ1(D04-D14)+EZ2(D14-D24)+EZ3(D24-D34));---(18)]]>σz1=32Ez1MD0π(EZ1(D04-D14)+EZ2(D14-D24)+EZ3(D24-D34));---(19)]]>M=π(EZ1(D04-D14)+EZ2(D14-D24)+EZ3(D24-D34))64Rw;---(20)]]>式中，d為鋼絲直徑；N為纏繞鋼絲總根數(shù)；ri為復(fù)合管內(nèi)半徑；ro為復(fù)合管外半徑；α為鋼絲纏繞方向與軸向夾角；σbg為鋼絲強(qiáng)度極限；σbp為HDPE承載應(yīng)力；a為組合載荷抗力概率模型的不確定性的參數(shù)；M為施加的彎曲荷載；EZ1為柱坐標(biāo)系下外層PE軸向彈性模量；EZ2為柱坐標(biāo)系下復(fù)合層軸向彈性模量；EZ3為柱坐標(biāo)系下內(nèi)層PE的軸向彈性模量；D0為管道外徑；D1為復(fù)合層外徑；D2為復(fù)合層內(nèi)徑；D3為管道內(nèi)徑；Rw為曲率半徑；Est為鋼絲彈性模量；內(nèi)壓載荷和彎曲載荷的組合載荷抗力概率模型滿足正態(tài)分布，結(jié)合管道的材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)和抗力計(jì)算模式，確定抗力的每個(gè)設(shè)計(jì)變量的概率分布，設(shè)計(jì)變量包括d、ri、ro、α、σbg、σbp、a、Ez1、EZ2、EZ3、Est、D0、D1、D2、D3、Rw、N；內(nèi)壓和彎曲載荷的組合載荷概率模型滿足正態(tài)分布，載荷設(shè)計(jì)變量為管道內(nèi)壓。作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，外壓載荷下，抗力r為外壓極限承載力Pcr，載荷l為管道外壓P；極限狀態(tài)函數(shù)為：g＝Pcr-P；(21)Pcr=2Eθ1-μθzμzθ(tDo)3;---(22)]]>式中，t為管道壁厚；Do為管道外徑；Eθ為復(fù)合層環(huán)向彈性模量；μθz為θ-z面內(nèi)泊松比；μzθ為z-θ面內(nèi)泊松比；Pcr滿足正態(tài)分布，結(jié)合管道的材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)和抗力計(jì)算模式，確定抗力設(shè)計(jì)變量的概率分布，設(shè)計(jì)變量包括t、Do、Eθ；外壓載荷概率模型滿足正態(tài)分布，載荷設(shè)計(jì)變量為管道外壓P。作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，軸向拉伸載荷下，抗力r為最大承載拉力T，載荷l為結(jié)構(gòu)所受的軸向拉伸載荷；對(duì)于兩層增強(qiáng)層：T＝T1+T2；(23)對(duì)于四層增強(qiáng)層：T＝T1+2T2；(24)T1=πX4(r42-r32+r12-r02)ϵz;---(25)]]>T2=2π8X1(2r23-r13-r33)2(X2X3-X1)(1+X2)9X4(r42-r32+r12-r02)+2X5(1+X2)(r34-r14)+12(X6-X2X7)(r32-r12)ϵz;---(26)]]>X1=m3nQ‾11+(mn3-m3n)Q‾12-mn3Q‾22-2mn(m2-n2)Q‾33;---(27)]]>X2＝v(1)；(28)X3=mn3Q‾11+(m3n-mn3)Q‾12-m3nQ‾22+2mn(m2-n2)Q‾33;---(29)]]>X4＝E(1)；(30)X5=m2n2Q‾11-2m2n2Q‾12+m2n2Q‾22+(m2-n2)2Q‾33;---(31)]]>X6=m4Q‾11+2m2n2Q‾12+n4Q‾22+4m2n2Q‾33;---(32)]]>X7=m2n2Q‾11+(m4+n4)Q‾12+m2n2Q‾22-4m2n2Q‾33;---(33)]]>m＝cosα；(34)n＝sinα；(35)Q‾11=EL1-vLTvTL;---(36)]]>Q‾22=ET1-vLTvTL;---(37)]]>Q‾12=ELvTL1-vLTvTL;---(38)]]>Q‾33=GLT;---(39)]]>式中，T1、T2分別為不同增強(qiáng)層最大承載力，E(k)為彈性模量，k＝1,4；v(k)為泊松比，k＝1,4；為局部坐標(biāo)系中的縱向彈性模量，k＝2,3；為局部坐標(biāo)系中的橫向彈性模量，k＝2,3；為剪切模量，k＝2,3；νLT為不同方向泊松比；為泊松比，k＝2,3；為局部坐標(biāo)系中的剛度系數(shù)，k＝2,3；為整體坐標(biāo)系中的剛度系數(shù)，k＝2,3；k為復(fù)合層的層號(hào)；ri為各層的半徑長(zhǎng)度，i＝0,1,2,3,4；α為鋼絲纏繞方向與軸向夾角；軸向拉伸載荷抗力概率模型滿足正態(tài)分布，結(jié)合管道的材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)和抗力計(jì)算模式，確定抗力設(shè)計(jì)變量的概率分布，設(shè)計(jì)變量包括r0、r1、r2、r3、r4、EL、ET、E、GLT、α、εz、ν、νLT、νTL；軸向拉伸載荷概率模型滿足正態(tài)分布，載荷設(shè)計(jì)變量為鋪設(shè)拉力。作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，內(nèi)壓載荷、外壓載荷和溫差載荷的組合載荷下，抗力為組合載荷作用下結(jié)構(gòu)承載力，載荷l為組合載荷；鋼絲的最大軸向應(yīng)變?yōu)椋?epsiv;=2πRs2cosβnEsAsin2β(EpϵθtRi+Pi);---(40)]]>ϵ2πRs2cosβnEsAsin2β=EpαtRi(T1-T2)+Pi;---(41)]]>R=ϵ2πRs2cosβnEsAsin2β;---(42)]]>A=EpαtRi;---(43)]]>R-A(T1-T2)-Pi＝0；(44)極限狀態(tài)函數(shù)為：g＝R-A(T1-T2)-Pi；(45)分別引入抗力與載荷系數(shù)，得到：rr·R≥A(rT1·T1-rT2·T2)+rPi·Pi;---(46)]]>R≥A(fT1·T1-fT2·T2)+fPi·Pi;---(47)]]>式中，Pi為管道內(nèi)壓；Ep為PE材料彈性模量；t為鋼絲增強(qiáng)RTP管壁厚；Ri為RTP管內(nèi)徑；Rs為管道彎曲曲率半徑；α為PE材料的膨脹系數(shù)；T1為管道內(nèi)溫；T2為管道外溫；β為鋼絲纏繞角度；A為鋼絲面積；Es為增強(qiáng)層鋼絲彈性模量；n為鋼絲根數(shù)；fT1、fT2、為設(shè)計(jì)系數(shù)。作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，β0=μR-BμT1+BμT2-μPiσR2+σT12+σT22+σPi2;---(48)]]>σR＝COVr·μR；(49)αϵ=cosθr=-σRϵσR2+B2σT12+B2σT22+σPi2;---(50)]]>αT1=cosθT1=A·σT1σR2+B2σT12+B2σT22+σPi2;---(51)]]>αT2=cosθT2=-AσT2σR2+B2σT12+B2σT22+σPi2;---(52)]]>αPi=cosθPi=σPiσR2+B2σT12+B2σT22+σPi2;---(53)]]>rr=1+β0COVrαr1-krCOVr;---(54)]]>rT1=1+β0COVT1αT11;---(55)]]>rT2=1+β0COVT2αT21;---(56)]]>rPi=1+β0COVPiαPi1;---(57)]]>得到：fT1=rT1rr;---(58)]]>fT2=rT2rr;---(59)]]>fPi=rPirr.---(60)]]>作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，內(nèi)壓載荷、彎曲載荷和溫差載荷的組合載荷下，抗力r為組合載荷作用下結(jié)構(gòu)承載力，載荷l為組合載荷；鋼絲的最大軸向應(yīng)變?yōu)椋?epsiv;=2πRs2cosβnEsAsin2β(EpϵθtRi+Ri)+EPRsESρcos2β;---(61)]]>ϵ2πRs2cosβnEsAsin2β=EpαtRi(T1-T2)+Pi+nAEPRsρsin2βcosβ;---(62)]]>R=ϵ-EPRsEsρcos2β2πRs2cosβnEsAsin2β;---(63)]]>B=EpαtRi;---(64)]]>C=nAEPRsρsin2βcosβ;---(65)]]>R-B(T1-T2)-Pi-C/ρ＝0；(66)極限狀態(tài)函數(shù)為：g＝R-B(T1-T2)-Pi-C；(67)分別引入抗力與載荷系數(shù)，將曲率半徑考慮為常數(shù)，引入彎曲項(xiàng)公式的偏差系數(shù)D，得到：rr·R≥B(rT1·T1-rT2·T2)+rPi·Pi+C·rD·D;---(68)]]>R≥B(fT1·T1-fT2·T2)+fPi·Pi+C·fD·D;---(69)]]>式中，Pi為管道內(nèi)壓；Ep為PE材料彈性模量；t為鋼絲增強(qiáng)RTP管壁厚；Ri為RTP管內(nèi)徑；Rs為管道彎曲曲率半徑；α為PE材料的膨脹系數(shù)；ρ為管道彎曲曲率半徑；T1為管道內(nèi)溫；T2為管道外溫；β為鋼絲纏繞角度；A為鋼絲面積；Es為增強(qiáng)層鋼絲彈性模量；n為鋼絲根數(shù)；fT1、fT2、為設(shè)計(jì)系數(shù)。作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，β0=μR-BμT1+BμT2-μPi-μDσR2+σT12+σT22+σPi2+σD2;---(70)]]>σR＝COVr·μR；(71)αϵ=cosθr=-σRϵσR2+B2σT12+B2σT2+σPi2+σD2;---(72)]]>αT1=cosθT1=A·σT1σR2+B2σT12+B2σT22+σPi2+σD2;---(73)]]>αT2=cosθT2=-AσT2σR2+B2σT12+B2σT22+σPi2+σD2;---(74)]]>αPi=cosθPi=σPiσR2+B2σT12+B2σT22+σPi2+σD2;---(75)]]>αD=cosθD=σDσR2+B2σT12+B2σT22+σPi2+σD2;---(76)]]>rr=1+β0COVrαr1-krCOVr;---(77)]]>rT1=1+β0COVT1αT11;---(78)]]>rT2=1+β0COVT2αT21;---(79)]]>rPi=1+β0COVPiαPi1;---(80)]]>rD=1+β0COVDαD1;---(81)]]>得到：fT1=rT1rr;---(82)]]>fT2=rT2rr;---(83)]]>fPi=rPirr;---(84)]]>fD=rDrr.---(85)]]>本發(fā)明的有益效果為：1、對(duì)油氣輸送管道實(shí)際工程應(yīng)用受到的載荷進(jìn)行了歸納分類，確定了RTP管道應(yīng)用受到的載荷為內(nèi)壓載荷、彎曲載荷、外壓載荷、軸向拉伸載荷、溫差載荷以及組合載荷的情況；2、提供了一種RTP管道的設(shè)計(jì)系數(shù)的計(jì)算方法，為今后RTP管道在油氣輸送管道的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的一種熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管道設(shè)計(jì)系數(shù)的確定方法的流程示意圖。具體實(shí)施方式下面通過(guò)具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。實(shí)施例1，如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例所述的一種熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管道設(shè)計(jì)系數(shù)的確定方法，該方法包括：步驟1，分析熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管道的載荷l，包括內(nèi)壓載荷、彎曲載荷、外壓載荷、軸向拉伸載荷、溫差載荷以及組合載荷，得到各荷載設(shè)計(jì)變量的分布狀態(tài)和特征值，同時(shí)，根據(jù)管道的材料性能分析管道各載荷抗力r，得到載荷抗力的每個(gè)設(shè)計(jì)變量的分布狀態(tài)和特征值；步驟2，建立在不同載荷情況下的極限狀態(tài)函數(shù)g、載荷概率模型和抗力概率模型，包括內(nèi)壓載荷、彎曲載荷、外壓載荷、軸向拉伸載荷、溫差載荷以及組合載荷情況；g＝r-l；(1)步驟3，根據(jù)荷載設(shè)計(jì)變量的分布狀態(tài)和特征值確定載荷的平均值μl、標(biāo)準(zhǔn)差σl和變異系數(shù)COVl，同時(shí)，根據(jù)載荷抗力設(shè)計(jì)變量的分布狀態(tài)和特征值確定載荷抗力的每個(gè)設(shè)計(jì)變量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)設(shè)計(jì)變量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)得到載荷抗力的平均值μr、標(biāo)準(zhǔn)差σr和變異系數(shù)COVr；其中，COVl＝σl/μl；(2)COVr＝σr/μr；(3)步驟4，給定目標(biāo)可靠度指標(biāo)β0，根據(jù)載荷的平均值μl、標(biāo)準(zhǔn)差σl和變異系數(shù)COVl，以及載荷抗力的平均值μr、標(biāo)準(zhǔn)差σr和變異系數(shù)COVr，由FORM方法確定載荷分項(xiàng)系數(shù)rl和抗力分項(xiàng)系數(shù)rr；其中，β0=μr-μlσr2+σl2;---(4)]]>αr=cosθr=σrσr2+σl2;---(5)]]>αl=cosθl=-σlσr2+σl2;---(6)]]>rr=1+β0COVr·αr1+krCOVr;---(7)]]>rl=1+β0COVl·αl1+klCOVl;---(8)]]>式中，kr、kl分別為抗力與荷載標(biāo)準(zhǔn)值的分位點(diǎn)系數(shù)；步驟5，采用LRFD方法確定設(shè)計(jì)系數(shù)；k＝rr·rl。實(shí)施例2，油氣長(zhǎng)輸管道針對(duì)不同的鋪設(shè)方式可分為埋設(shè)管道和露天管道。主要載荷類型分為內(nèi)壓載荷、彎曲載荷、外壓載荷、軸向拉伸載荷以及溫差載荷等五種類型載荷；每一種載荷的概率模型的統(tǒng)計(jì)原理基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期以及極值載荷的理念。內(nèi)壓載荷下，抗力r為爆破壓力，載荷l為管道內(nèi)壓。抗力概率模型滿足正態(tài)分布，抗力設(shè)計(jì)變量包括d、ri、ro、α、σbg、σbp、a、N，結(jié)合管道的材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)和抗力計(jì)算模式，確定抗力的每個(gè)設(shè)計(jì)變量的概率分布?？沽υO(shè)計(jì)變量的概率分布如表1所示。表1其中，d為鋼絲直徑；N為纏繞鋼絲總根數(shù)；ri為復(fù)合管內(nèi)半徑；ro為復(fù)合管外半徑；α為鋼絲纏繞方向與軸向夾角；σbg為鋼絲強(qiáng)度極限；σbp為HDPE承載應(yīng)力；a為抗力概率模型的不確定性的參數(shù)，通過(guò)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果與得自實(shí)驗(yàn)性測(cè)量的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出；μ為每個(gè)設(shè)計(jì)變量的平均值；σ為每個(gè)設(shè)計(jì)變量的標(biāo)準(zhǔn)差；COV為每個(gè)設(shè)計(jì)變量的變異系數(shù)，COV＝σ/μ。內(nèi)壓載荷概率模型滿足正態(tài)分布，載荷設(shè)計(jì)變量為管道內(nèi)壓。載荷設(shè)計(jì)變量的概率分布如圖表2所示。表2設(shè)計(jì)變量μσCOV分布類型l10/6.35/30.5正態(tài)分布內(nèi)壓載荷下，設(shè)計(jì)系數(shù)根據(jù)步驟3-步驟5來(lái)計(jì)算。實(shí)施例3，彎曲載荷下，抗力r為相對(duì)于管道局部縱彎的臨界應(yīng)變?chǔ)與rit，載荷l為彎曲載荷引起的應(yīng)變?chǔ)舤h；受限熱膨脹所致之局部縱彎的極限狀態(tài)函數(shù)變?yōu)椋篻＝εcrit-εth(9)ϵcrit=0.28×(tDm)/μzr;---(10)]]>εth＝R0/Rb(11)式中，t為管道的壁厚；Dm為管道的平均直徑；μzr為管道z-r面內(nèi)泊松比；R0為RTP管的外徑，Rb為彎曲半徑；彎曲載荷抗力概率模型滿足正態(tài)分布，結(jié)合管道的材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)和抗力計(jì)算模式，確定抗力的每個(gè)設(shè)計(jì)變量的概率分布，設(shè)計(jì)變量包括t、Dm；彎曲載荷概率模型滿足正態(tài)分布，載荷設(shè)計(jì)變量為曲率半徑。εcrit和εth均滿足正態(tài)分布，且其均值與標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。表3根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，所選的17組數(shù)據(jù)中εcrit與εth的變異系數(shù)的變異性不大，COVεcrit在0.045—0.059之間變化，COVεth在0.896—1.373之間變化。彎曲載荷的概率模型的統(tǒng)計(jì)受到RTP管設(shè)計(jì)最小彎曲半徑以及卷盤(pán)大小的影響，因此，在統(tǒng)計(jì)時(shí)，需綜合考慮各種情況的存在。曲率半徑的統(tǒng)計(jì)方式如表4所示。表4均值系數(shù)COV分布函數(shù)曲率半徑1.011.4正態(tài)分布在獲得曲率半徑的概率模型后，通過(guò)曲率半徑與應(yīng)變的關(guān)系便可得到εth的概率模型。彎曲載荷下，設(shè)計(jì)系數(shù)根據(jù)步驟3-步驟5來(lái)計(jì)算。實(shí)施例4，內(nèi)壓載荷和彎曲載荷的組合載荷下，抗力r即為組合載荷作用下爆破壓力，載荷l為管道內(nèi)壓；r=a·pB=a·min(pBz,pBθ);---(12)]]>pBz=Nd2[(σbg-0.1σst)cos2α-σbp+0.1σz1]4ri2cosα+(σbp-0.1σz1)(K2-1);---(13)]]>pBθ=Nd2[(σbg-0.1σst)sin2α-σbp]4ri(ri+ro)cosα+σbp(K-1);---(14)]]>K=rori;---(15)]]>σst＝Estεst；(16)εst＝εz2cosα；(17)ϵz2=32MD1π(EZ1(D04-D14)+EZ2(D14-D24)+EZ3(D24-D34));---(18)]]>σz1=32Ez1MD0π(EZ1(D04-D14)+EZ2(D14-D24)+EZ3(D24-D34));---(19)]]>M=π(EZ1(D04-D14)+EZ2(D14-D24)+EZ3(D24-D34))64Rw;---(20)]]>式中，d為鋼絲直徑；N為纏繞鋼絲總根數(shù)；ri為復(fù)合管內(nèi)半徑；ro為復(fù)合管外半徑；α為鋼絲纏繞方向與軸向夾角；σbg為鋼絲強(qiáng)度極限；σbp為HDPE承載應(yīng)力；a為組合載荷抗力概率模型的不確定性的參數(shù)；M為施加的彎曲荷載；EZ1為柱坐標(biāo)系下外層PE軸向彈性模量；EZ2為柱坐標(biāo)系下復(fù)合層軸向彈性模量；EZ3為柱坐標(biāo)系下內(nèi)層PE的軸向彈性模量；D0為管道外徑；D1為復(fù)合層外徑；D2為復(fù)合層內(nèi)徑；D3為管道內(nèi)徑；Rw為曲率半徑；Est為鋼絲彈性模量；內(nèi)壓載荷和彎曲載荷的組合載荷抗力概率模型滿足正態(tài)分布，結(jié)合管道的材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)和抗力計(jì)算模式，確定抗力的每個(gè)設(shè)計(jì)變量的概率分布，設(shè)計(jì)變量包括d、ri、ro、α、σbg、σbp、a、Ez1、EZ2、EZ3、Est、D0、D1、D2、D3、Rw、N；抗力設(shè)計(jì)變量的概率分布如表5所示。表5內(nèi)壓和彎曲載荷的組合載荷概率模型滿足正態(tài)分布，載荷設(shè)計(jì)變量為管道內(nèi)壓，變異系數(shù)為0.5。載荷設(shè)計(jì)變量的概率分布如表6所示。表6設(shè)計(jì)變量μσCOV分布類型l10/6.35/30.5正態(tài)分布內(nèi)壓載荷和彎曲載荷的組合載荷下，設(shè)計(jì)系數(shù)根據(jù)步驟3-步驟5來(lái)計(jì)算。實(shí)施例5，外壓載荷下，抗力r為外壓極限承載力Pcr，載荷l為管道外壓P；極限狀態(tài)函數(shù)為：g＝Pcr-P；(21)Pcr=2Eθ1-μθzμzθ(tDo)3;---(22)]]>式中，t為管道壁厚；Do為管道外徑；Eθ為復(fù)合層環(huán)向彈性模量；μθz為θ-z面內(nèi)泊松比；μzθ為z-θ面內(nèi)泊松比；Pcr滿足正態(tài)分布，結(jié)合管道的材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)和抗力計(jì)算模式，確定抗力設(shè)計(jì)變量的概率分布，設(shè)計(jì)變量包括t、Do、Eθ；外壓載荷概率模型滿足正態(tài)分布，載荷設(shè)計(jì)變量為管道外壓P。P的概率模型基于假設(shè)。對(duì)于RTP管道來(lái)講，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)外壓載荷主要來(lái)源于土體變動(dòng)帶來(lái)的變化，這些變動(dòng)主要有上部覆蓋層的變動(dòng)、雨水導(dǎo)致的壓力變動(dòng)、邊部土壤變動(dòng)導(dǎo)致的壓力變動(dòng)等。Pcr和P的概率分布如表7所示。表7根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，所選的數(shù)據(jù)中Pcr的變異系數(shù)的變異性不大，在0.131-0.179之間變化。對(duì)于已選定管道，外部壓力假設(shè)COV＝1，服從正態(tài)分布。外壓載荷下，設(shè)計(jì)系數(shù)根據(jù)步驟3-步驟5來(lái)計(jì)算。實(shí)施例6，軸向拉伸載荷下，抗力r為最大承載拉力T，載荷l為結(jié)構(gòu)所受的軸向拉伸載荷；對(duì)于兩層增強(qiáng)層：T＝T1+T2；(23)對(duì)于四層增強(qiáng)層：T＝T1+2T2；(24)T1=πX4(r42-r32+r12-r02)ϵz;---(25)]]>T2=2π8X1(2r23-r13-r33)2(X2X3-X1)(1+X2)9X4(r42-r32+r12-r02)+2X5(1+X2)(r34-r14)+12(X6-X2X7)(r32-r12)ϵz;---(26)]]>X1=m3nQ‾11+(mn3-m3n)Q‾12-mn3Q‾22-2mn(m2-n2)Q‾33;---(27)]]>X2＝v(1)；(28)X3=mn3Q‾11+(m3n-mn3)Q‾12-m3nQ‾22+2mn(m2-n2)Q‾33;---(29)]]>X4＝E(1)；(30)X5=m2n2Q‾11-2m2n2Q‾12+m2n2Q‾22+(m2-n2)2Q‾33;---(31)]]>X6=m4Q‾11+2m2n2Q‾12+n4Q‾22+4m2n2Q‾33;---(32)]]>X7=m2n2Q‾11+(m4+n4)Q‾12+m2n2Q‾22-4m2n2Q‾33;---(33)]]>m＝cosα；(34)n＝sinα；(35)Q‾11=EL1-vLTvTL;---(36)]]>Q‾22=ET1-vLTvTL;---(37)]]>Q‾12=ELvTL1-vLTvTL;---(38)]]>Q‾33=GLT;---(39)]]>式中，T1、T2分別為不同增強(qiáng)層最大承載力，E(k)為彈性模量，k＝1,4；v(k)為泊松比，k＝1,4；為局部坐標(biāo)系中的縱向彈性模量，k＝2,3；為局部坐標(biāo)系中的橫向彈性模量，k＝2,3；為剪切模量，k＝2,3；νLT為不同方向泊松比；為泊松比，k＝2,3；為局部坐標(biāo)系中的剛度系數(shù)，k＝2,3；為整體坐標(biāo)系中的剛度系數(shù)，k＝2,3；k為復(fù)合層的層號(hào)；ri為各層的半徑長(zhǎng)度，i＝0,1,2,3,4；α為鋼絲纏繞方向與軸向夾角；抗力服從正態(tài)分布，抗力設(shè)計(jì)變量的概率分布如表8所示。表8軸向拉伸載荷抗力概率模型滿足正態(tài)分布，結(jié)合管道的材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)和抗力計(jì)算模式，確定抗力設(shè)計(jì)變量的概率分布，設(shè)計(jì)變量包括r0、r1、r2、r3、r4、EL、ET、E、GLT、α、εz、ν、νLT、νTL。軸向拉伸載荷概率模型滿足正態(tài)分布，載荷設(shè)計(jì)變量為鋪設(shè)拉力。在整個(gè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，軸向拉伸載荷主要與前期RTP管道安裝有關(guān)?；诩僭O(shè)的軸向拉伸載荷設(shè)計(jì)變量概率分布如表9所示。表9設(shè)計(jì)變量μσCOV分布類型l----0.5正態(tài)分布軸向拉伸載荷下，設(shè)計(jì)系數(shù)根據(jù)步驟3-步驟5來(lái)計(jì)算。實(shí)施例7，內(nèi)壓載荷、外壓載荷和溫差載荷的組合載荷下，抗力r為組合載荷作用下結(jié)構(gòu)承載力，載荷l為組合載荷；鋼絲的最大軸向應(yīng)變?yōu)椋?epsiv;=2πRs2cosβnEsAsin2β(EpϵθtRi+Pi);---(40)]]>為了進(jìn)行抗力荷載系數(shù)設(shè)計(jì)，需要對(duì)公式進(jìn)行有效調(diào)整，調(diào)整后公式變化為：ϵ2πRs2cosβnEsAsin2β=EpαtRi(T1-T2)+Pi;---(41)]]>將上述式(41)進(jìn)行如下變換：R=ϵ2πRs2cosβnEsAsin2β;---(42)]]>A=EpαtRi;---(43)]]>則，式(41)簡(jiǎn)化為：R-A(T1-T2)-Pi＝0；(44)極限狀態(tài)函數(shù)為：g＝R-A(T1-T2)-Pi；(45)分別引入抗力與載荷系數(shù)，得到：rr·R≥A(rT1·T1-rT2·T2)+rPi·Pi;---(46)]]>將抗力分項(xiàng)系數(shù)移到設(shè)計(jì)表達(dá)式右方，即獲得最終設(shè)計(jì)表達(dá)式：R≥A(fT1·T1-fT2·T2)+fPi·Pi;---(47)]]>式中，Pi為管道內(nèi)壓；Ep為PE材料彈性模量；t為鋼絲增強(qiáng)RTP管壁厚；Ri為RTP管內(nèi)徑；Rs為管道彎曲曲率半徑；α為PE材料的膨脹系數(shù)；T1為管道內(nèi)溫；T2為管道外溫；β為鋼絲纏繞角度；A為鋼絲面積；Es為增強(qiáng)層鋼絲彈性模量；n為鋼絲根數(shù)；fT1、fT2、為設(shè)計(jì)系數(shù)。式(47)中，三個(gè)設(shè)計(jì)系數(shù)需要根據(jù)不同的可靠度指標(biāo)等級(jí)來(lái)確定。最終，針對(duì)內(nèi)壓載荷、外壓載荷和溫差載荷的組合載荷下，管道設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)公式(42)與公式(47)進(jìn)行，首先根據(jù)公式(47)確定R的最小值；然后選擇相應(yīng)的管道，并根據(jù)公式(42)計(jì)算的R值，使得R值滿足公式(47)確定的最小R值。在內(nèi)壓載荷、外壓載荷和溫差載荷的組合載荷下，目標(biāo)可靠度指標(biāo)變?yōu)椋?beta;0=μR-BμT1+BμT2-μPiσR2+σT12+σT22+σPi2;---(48)]]>σR＝COVr·μR；(49)將μR、σT1、μT1、σT2、μT2、μPi、σPi代入以下各式求值：αϵ=cosθr=-σRϵσR2+B2σT12+B2σT22+σPi2;---(50)]]>αT1=cosθT1=A·σT1σR2+B2σT12+B2σT22+σPi2;---(51)]]>αT2=cosθT2=-AσT2σR2+B2σT12+B2σT22+σPi2;---(52)]]>αPi=cosθPi=σPiσR2+B2σT12+B2σT22+σPi2;---(53)]]>抗力與荷載的分項(xiàng)系數(shù)按下式計(jì)算：rr=1+β0COVrαr1-krCOVr;---(54)]]>rT1=1+β0COVT1αT11;---(55)]]>rT2=1+β0COVT2αT21;---(56)]]>rPi=1+β0COVPiαPi1;---(57)]]>最終設(shè)計(jì)系數(shù)按照如下式計(jì)算：fT1=rT1rr;---(58)]]>fT2=rT2rr;---(59)]]>fPi=rPirr.---(60)]]>其中，COVr、COVT1、COVT2、COVPi分別為抗力與荷載的變異系數(shù)，kr為為抗力的分位點(diǎn)系數(shù)。實(shí)施例8，內(nèi)壓載荷、彎曲載荷和溫差載荷的組合載荷下，抗力r為組合載荷作用下結(jié)構(gòu)承載力，載荷l為組合載荷；鋼絲的最大軸向應(yīng)變?yōu)椋?epsiv;=2πRs2cosβnEsAsin2β(EpϵθtRi+Pi)+EPRsESρcos2β;---(61)]]>為了進(jìn)行抗力和荷載系數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行調(diào)整，得到：ϵ2πRs2cosβnEsAsin2β=EpαtRi(T1-T2)+Pi+nAEPRsρsin2βcosβ;---(62)]]>將式(60)進(jìn)行如下變換：R=ϵ-EPRsEsρcos2β2πRs2cosβnEsAsin2β;---(63)]]>B=EpαtRi;---(64)]]>C=nAEPRsρsin2βcosβ;---(65)]]>則，式(60)可簡(jiǎn)化為：R-B(T1-T2)-Pi-C/ρ＝0；(66)極限狀態(tài)函數(shù)為：g＝R-B(T1-T2)-Pi-C；(67)分別引入抗力與載荷系數(shù)，將曲率半徑考慮為常數(shù)，引入彎曲項(xiàng)公式的偏差系數(shù)D，則，抗力與載荷系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式為：rr·R≥B(rT1·T1-rT2·T2)+rPi·Pi+C·rD·D;---(68)]]>將抗力分項(xiàng)系數(shù)移到設(shè)計(jì)表達(dá)式右方，即獲得最終設(shè)計(jì)表達(dá)式：R≥B(fT1·T1-fT2·T2)+fPi·Pi+C·fD·D;---(69)]]>式中，Pi為管道內(nèi)壓；Ep為PE材料彈性模量；t為鋼絲增強(qiáng)RTP管壁厚；Ri為RTP管內(nèi)徑；Rs為管道彎曲曲率半徑；α為PE材料的膨脹系數(shù)；ρ為管道彎曲曲率半徑；T1為管道內(nèi)溫；T2為管道外溫；β為鋼絲纏繞角度；A為鋼絲面積；Es為增強(qiáng)層鋼絲彈性模量；n為鋼絲根數(shù)；fT1、fT2、為設(shè)計(jì)系數(shù)。式(62)中，四個(gè)設(shè)計(jì)系數(shù)需要根據(jù)不同的可靠度指標(biāo)等級(jí)來(lái)確定。彎曲項(xiàng)的載荷系數(shù)主要考慮彎曲公式的偏差系數(shù)D，彎曲公式的偏差系數(shù)均值取1.0，變異系數(shù)取1.0。最終，針對(duì)內(nèi)壓載荷、彎曲載荷和溫差載荷的組合載荷下，管道設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)公式(63)與公式(69)進(jìn)行，首先根據(jù)公式(69)確定R的最小值；然后選擇相應(yīng)的管道，并根據(jù)公式(63)計(jì)算不同曲率半徑下對(duì)應(yīng)的R值，使得R值滿足公式(69)確定的最小R值。在內(nèi)壓載荷、彎曲載荷和溫差載荷的組合載荷下，目標(biāo)可靠度指標(biāo)變?yōu)椋?beta;0=μR-BμT1+BμT2-μPi-μDσR2+σT12+σT22+σPi2+σD2;---(70)]]>σR＝COVr·μR；(71)將μR、σT1、μT1、σT2、μT2、μPi、σPi、μD、σD代入以下各式求值：αϵ=cosθr=-σRϵσR2+B2σT12+B2σT2+σPi2+σD2;---(72)]]>αT1=cosθT1=A·σT1σR2+B2σT12+B2σT22+σPi2+σD2;---(73)]]>αT2=cosθT2=-AσT2σR2+B2σT12+B2σT22+σPi2+σD2;---(74)]]>αPi=cosθPi=σPiσR2+B2σT12+B2σT22+σPi2+σD2;---(75)]]>αD=cosθD=σDσR2+B2σT12+B2σT22+σPi2+σD2;---(76)]]>抗力與荷載的分項(xiàng)系數(shù)按下式計(jì)算：rr=1+β0COVrαr1-krCOVr;---(77)]]>rT1=1+β0COVT1αT11;---(78)]]>rT2=1+β0COVT2αT21;---(79)]]>rPi=1+β0COVPiαPi1;---(80)]]>rD=1+β0COVDαD1;---(81)]]>最終設(shè)計(jì)系數(shù)按照如下式計(jì)算：fT1=rT1rr;---(82)]]>fT2=rT2rr;---(83)]]>fPi=rPirr;---(84)]]>fD=rDrr.---(85)]]>其中，COVr、COVT1、COVT2、COVPi、COVD分別為抗力與荷載的變異系數(shù)，kr為抗力的分位點(diǎn)系數(shù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，油氣輸送管道工程應(yīng)用中管道的荷載情況如表10所示。表10RTP管道內(nèi)徑450mm，基體材料為HDPE，型號(hào)為PE100，表2給出了這種材料典型的材料性能。連接內(nèi)、外HDPE層的粘結(jié)樹(shù)脂采用改性HDPE，其力學(xué)性能參數(shù)取表11中參數(shù)。表11增強(qiáng)材料為鍍銅鋼絲，其原始性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表12。表12kr，kl為參考一般設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，概率分位置P1＝P2＝0.05時(shí)的分位值系數(shù)。將COVl＝0.5、COVr＝0.1、kr＝1.645和kl＝1.645代入設(shè)計(jì)系數(shù)的計(jì)算公式得計(jì)算結(jié)果如表13(介質(zhì)為氣)和表14(介質(zhì)為油)所示。表13地區(qū)等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)四級(jí)容許失效概率1.3E-43.47E-52.31E-51.27E-6可靠度指標(biāo)β03.653.974.084.67設(shè)計(jì)系數(shù)k1.451.561.601.82表14容許失效概率7.64E-6可靠度指標(biāo)β04.33設(shè)計(jì)系數(shù)k1.69本發(fā)明對(duì)油氣輸送管道實(shí)際工程應(yīng)用受到的載荷進(jìn)行了歸納分類，確定了RTP管道應(yīng)用受到的載荷為內(nèi)壓載荷、彎曲載荷、外壓載荷、軸向拉伸載荷、溫度載荷以及組合載荷的情況；結(jié)合給定的目標(biāo)可靠度指標(biāo)，通過(guò)建立極限狀態(tài)方程和建立概率模型的方法，形成了設(shè)計(jì)系數(shù)的計(jì)算方法，為今后RTP管道在油氣輸送管道的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。RTP管道的基體材料和增強(qiáng)材料都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡引用實(shí)例試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)本發(fā)明對(duì)基體材料和增強(qiáng)材料進(jìn)行更改，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3