文 献 综 述

1.1课题研究背景意义

管道是当代社会最为广泛、快捷的液体或者气体的大规模、大范围运输方式。城市生活中的给排水、供热尤其是北方的冬天供暖以及南方夏天的城市排水系统管道，农业灌溉，水利工程以及长距离的输送煤气、天然气、石油等的压力管道。管道与我们的生活息息相关，而在管道中排在首位的自然是最重要的同时也是最为危险的工业压力管道，

工业压力管道广泛应用于石油化工、能源和医药等工业领域以及城市供气与供热系统中,担负着高温、高压、易燃、易爆、有毒等介质的输送任务,在工业生产中具有极其重要的地位。一旦发生危险，将会导致灾难性后果，对社会生产造成严重破坏，人民生命财产会受到严重损失。据不完全统计，2000年发生在浙江省新安江的工业压力管道泄露爆炸事故造成4人死亡,直接经济损失数百万元^[1]，间接经济损失无法统计；2010年4月，墨西哥湾”深水地平线”钻井平台爆炸带来了人类历史上最严重的环境灾难，上万平方公里海域受到影响，给全世界敲响了一记警钟^[2]。

随着人们生活的需求上升，经济的发展，工业原料、生活原料的用量会一直上升，而这些主要都依赖于管道的运输。尤其是”2025中国制造”的提出，中国制造业更是会应声高涨，对工业原料的需求也更为旺盛。在现在的国际形势下，南海、东海的开发也需要长距离的海底输送管道，以及来自俄罗斯、中东的石油天然气资源也需要长距离的陆上输送管道。数据显示，从1985年我国第一条海底输油管道建成至2005年，我国海洋油气管道仅有3000多公里。2011年召开的国家能源工作会议明确指出，建设与海洋油气生产配套的集输管线。三大石油公司都在加紧管道建设计划。”十二五”期间，仅中海油在油气生产、沿海天然气管网、LNG（液化天然气）输送等管道建设规模都将达到15000公里。所以对于管道极限载荷分析及失效模式研究具有很重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

20世纪初开始，国外对海底管道的极限承载力开展了大量的理论、试验和数字仿真研究，并对承载能力极限状态和正常使用极限状态分别做了规定。国内在这方面起步较晚，但也取得了一些重要成果。下面就国内外研究现状进行详细论述。

1.2.1组合载荷作用下管道极限承载力的理论研究

薄壁管道在弯矩荷载作用，管道横截而会逐渐发生椭圆化^[3]。椭圆化将使管道产生环向弯曲应力，影响管道的正常使用，甚至导致管道发生局部弯曲破坏^[4]。Gresnigt对管道椭圆度的最大值做了限定^[5]：

式中，#119863;为管道截面初始外直径，#119863;_#119904;为变形截面最小外直径。

20世纪90年代，Hauch等针对厚壁管道在内压、外压、弯矩、轴向拉力、轴向拉力荷载单独作用下开展了相关研究，并基于双轴应力相互作用准则^[6]，见式（1.2），对联合荷载作用管道响应作了相关研究，发展了管道的极限弯矩荷载解析解：

20世纪末，Mohareb基于屈服准则和理想弹塑性假设，推导了在内压、轴向力作用下管道的极限弯矩荷载的解析解^[7]，并在此基础上，郭茶秀通过塑性力学中的下限理论和上限理论，给出了管道在剪力、扭矩、内压、轴向力联合作用下管道的极限弯矩荷载解析解^[8]，同时提出了内压及扭矩载荷下无缺陷弯管的塑性极限载荷压力的求解方法^[9]。Stokey在设计实践中常用的某些简化假设下，推导了在内压、弯矩、轴向力和扭矩作用下，薄壁管和厚壁管产生完全屈服的荷载表达式。以图表形式给出了各种条件下的极限载荷结果^[10]。陈严飞等基于理想弹塑性模型、线性强化弹塑性模型及幂次强化模型，给出了联合荷载作用下完好管道的极限弯矩荷载计算方法^[11,12]。党学博将深水海底管道简化为理想弹塑性材料,对管道铺设时的受力状态进行理论分析.以最大变形能密度为屈服准则,推导出海底管道在弯矩、轴向拉力和外压共同作用下的极限承载能力公式,并应用于S型深水铺管施工受力分析中^[13]。Mohareb, ASCE研究了受法向力，内压或外压，扭矩，双轴弯矩和双轴剪切力相结合的管段的一般相互作用关系^[14]。Elchalakani介绍了一种预测纯弯曲条件下变径厚比圆钢管力矩旋转响应的理论处理方法^[15]。祝晓海等采用双剪应力屈服准则，对在内压作用下的无缺陷管道进行了塑性极限分析，得到了管道爆破压力的计算公式^[16]。金志江提出了一种基于内压、弯矩、扭矩复杂载荷作用下的含未焊透缺陷压力管道塑性极限载荷理论分析方法及其表达式，还充分考虑了管道曲率（管径比)、未焊透缺陷环向长度、深度对压力管道塑性极限载荷的影响^[17]。同样的基于净截面垮塌准则和Von- Mises屈服准则,郭茶秀推导了空间含缺陷管道在拉伸、弯曲、扭矩和内压多种载荷共同作用下的塑性极限载荷方程，还给出了在三维应力状态下的含缺陷结构Lr参量的新定义^[18]。韩文海利用边界理论，通过构造权函数的方法得到了海底管道发生单点腐蚀（简化槽型腐独）时的极限弯矩解析解^[19]。王菲根据屈服准则，在中性轴假设条件，和周向应力、径向应力常数假设下，推导出了含等深周向内、外裂纹厚壁圆筒在受内压、轴向力和弯矩复合载荷下的近似极限载荷公式。并通过解与有限元解进行比较和误差分析对后来者推荐了计算等深周向内、外裂纹厚壁圆筒极限载荷的取值^[20]。而早在1998年李鸣等人就基于净截面失稳准则，建立了周向裂纹管塑性失稳极限状态受力模型，推导了周向裂纹管塑性极限载荷通用解^[21]。Zhu为了准确描述金属在多轴应力状态下的塑性屈服行为，参考了各向同性硬化材料的经典Tresca和Von- Mises屈服理论，提出了平均剪切应力屈服理论。以该理论为基础，得到了一种预测管道破裂压力的与管道直径、壁厚、材料硬化指数和极限拉伸强度有关的理论解^[22]。他在对有腐蚀缺陷或无腐蚀缺陷的管道的失效压力进行了分析研究，重点研究了经典强度准则适用于预测失效压力的条件。基于有限应变理论，建立了幂次强化材料完好管道的塑性破坏模型^[23,24]。Kim基于完全弹塑性材料行为的详细三维有限元（FE）极限分析，以及基于平衡应力场的分析解，给出了在轴向拉伸、内压和整体弯曲共同作用下，含贯穿表面裂纹的筒体塑性极限载荷的详细解^[25]。

1.2.2组合载荷作用下管道极限承载力的实验研究

2009年， Ozkan等人做了一个由6个X65材料制成的全尺寸试验，确定了管道能否达到由分析推导的塑性相互作用关系预测的修正塑性力矩。从实验中记录了力矩-曲率关系、力矩峰值和试样的局部屈曲行为^[26]。此后杨培等采用全尺寸实验方法研究了X52无缝管道钢在拉伸、弯曲载荷作用下的承载能力和变形能力，管道的径厚比D∕t从40到102，得出一些有益的结论^[27]，为管道设计提供一定的参考。而后Mohareb等采用试验和数值方法对管道在弯矩载荷作用下的失效模式做了进一步的研究，并得出一些重要的结论^[7]。2006年Corona等采用试验方法研究了管材各向异性对管道局部屈曲破坏和极限承载力的影响，得出了一些重要结论^[28]。2007年，Hauch,Bai通过试验方法研究了局部屈曲缺陷管道在弯矩荷载作用下的极限承载力，研究表明局部屈曲缺陷对管道的失效压力影响不大，但对管道的极限弯矩荷载有较大的影响^[29]。

1.2.3组合载荷作用下管道极限承载力的数值仿真研究

2010年，杨颖等对厚壁管道的弯矩承载力作了相关研究，建立了一些计算模型。研究表明，厚壁管道在不同的荷载组合作用下，其破坏模式主要包括以下几种^[30]：环向区垮塌，弯曲垮塌，张力垮塌，张力断裂。同一时期，王慧平等人做了大量的数值仿真研究。模拟中，弯矩值、内压值、轴力值作为三种变量。其中X52径厚比取为29.7,X56径厚比为38.7，其数值仿真结果与试验结果的变化趋势基本一致，但是进行了对比，当管道的外直径一定时，管道的极限弯矩承载力随着厚径比的増大而减小，即当管道的外荷载和材料参数以及直径一定时，管道的极限弯矩承载力随着管壁厚度的减小而减小。在径厚比相对较小的情况下，管道的弯矩承载力随着径厚比的增大急剧减小，随着径厚比的增大，弯矩承载力的变化趋势逐渐趋于平缓^[31]。李志彪采用ANSYS有限元分析软件,对含外壁凹坑的压力管道在受轴向弯矩时的极限承载能力进行了研究^[32]。Bai考虑在外压、组合压力和拉伸荷载、组合压力和弯曲荷载等组合载荷下对厚壁管的倒塌行为进行了有限元分析。同时分析了初始椭圆度、残余应力、应变硬化、屈服各向异性和加载路径的影响，给出了有限元分析中的倒塌包络线（相互作用曲线）。讨论了预测倒塌强度和倒塌包络线的方程^[33] 。Guarracino讨论了圆柱弹性管在纯弯曲下的行为。提出了一个简单的问题处理方法，并将所得结果与商用非线性有限元程序所得结果进行了比较，为一些实验结果提供明确的理由^[34]。

其中陆地上的管道也产生受到落物撞击作用下的凹陷，目前规范中都没有考虑局部凹陷对管道极限弯矩荷载的影响，Vitali等采用有限元方法分析了局部凹陷管道的极限弯矩荷载，给出了量化了的局部凹陷的影响， Hauch推导了复合压力、纵向力和弯曲作用下管道极限承载力的解析解，并与有限元法计算结果进行了比较。导出的方程可用于具有各向同性和各向异性应力/应变特性的高强度材料，如果根据适当的安全系数，则可用于管道、立管和管道^[29]。为管道的设计和评估提供了一定的依据。

参考文献：

[1] 郑翔宇. 组合载荷作用下含未焊透缺陷低碳钢管道安全性分析[D]. 浙江大学, 2008.

[2] 孙彦彦. 完好管道在复杂荷载作用下的极限承载力研究[D]. 大连理工大学, 2013.

[3] Brazier L. On the flexure of thin cylindrical shells and other" thin" sections[J]. Proceedings of the Royal society of London. Series A, containing papers of a mathematical and physical character, 1927, 116(773): 104-114.

[4] Hill R. The mathematical theory of plasticity[M]. 11. Oxford university press, 1998.

[5] Mohareb M E. Deformational behaviour of line pipe[J], 1995.

[6] Galambos T V. Guide to stability design criteria for metal structures[M]. John Wiley amp; Sons, 1998.

[7] Mohareb M, Murray D. Mobilization of fully plastic moment capacity for pressurized pipes[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 1999, 121(4): 237-241.

[8] 郭茶秀, 李培宁, 蒋晓东, 等. 拉、弯、扭及内压载荷下周向裂纹管的塑性极限载荷[J]. 压力容器, 1999, (2): 1-7.

[9] 郭茶秀, 袁希海, 王定标, 等. 内压及扭矩载荷下无缺陷弯管的塑性极限载荷[J]. 机械强度, 2003, (03): 315-318.

[10] Stokey W, Peterson D, Wunder R. Limit loads for tubes under internal pressure, bending moment, axial force and torsion[J]. Nuclear Engineering and Design, 1966, 4(2): 193-201.

[11] 陈严飞. 海底腐蚀管道破坏机理和极限承载力研究[D]. 大连理工大学, 2009.

[12] 陈严飞, 李昕, 周晶. 组合荷载作用下腐蚀缺陷管道的极限承载力[J]. 计算力学学报, 2011, 28(01): 132-139.

[13] 党学博, 龚顺风, 金伟良, 等. 深水海底管道极限承载能力分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2010, 44(04): 778-782.

[14] Mohareb M. Plastic interaction relations for pipe sections[J]. Journal of engineering mechanics, 2002, 128(1): 112-120.

[15] Elchalakani M, Zhao X, Grzebieta R. Plastic mechanism analysis of circular tubes under pure bending[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2002, 44(6): 1117-1143.

[16] 祝晓海, 庞苗, 张永强. 基于双剪应力屈服准则的受内压管道爆破压力分析[J]. 应用力学学报, 2011, 28(02): 135-138 213.

[17] 金志江, 王晓芳, 竺国荣, 等. 复杂载荷下含未焊透缺陷压力管道塑性极限载荷分析[J]. 机械科学与技术, 2010, 29(06): 800-804 808.

[18] 郭茶秀, 魏新利, 王定标, 等. 复杂载荷下含缺陷管道的极限载荷及Lr参量[J]. 郑州大学学报（工学版）, 2004, 25(1): 49-52.

[19] 韩文海, 周晶. 腐蚀海底管道可靠性分析[J]. 石油学报, 2015, 36(04): 516-520.

[20] 王菲. 含等深周向裂纹厚壁圆筒在复合载荷下的极限载荷研究[D]. 浙江工业大学, 2011.

[21] 李鸣, 胡兆吉, 李培宁. 基于净截面失稳准则的周向裂纹管塑性极限载荷通用解[J]. 南昌大学学报(工科版), 1998, (03): 56-59.

[22] Zhu X-K, Leis B N. Theoretical and numerical predictions of burst pressure of pipelines[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 2007, 129(4): 644-652.

[23] Zhu X-K, Leis B N. Strength criteria and analytic predictions of failure pressure in line pipes[J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2004, 14(02).

[24] Zhu X-K, Leis B N. Analytic prediction of plastic collapse failure pressure of line pipes[C]. ASME 2005 Pressure Vessels and Piping Conference, 2005: 109-118.

[25] Kim Y J, Shim D J, Nikbin K, et al. Finite element based plastic limit loads for cylinders with part-through surface cracks under combined loading[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2003, 80(7-8): 527-540.

[26] Ozkan I F, Mohareb M. Testing and analysis of steel pipes under bending, tension, and internal pressure[J]. Journal of structural engineering, 2009, 135(2): 187-197.

[27] 杨培. 腐蚀海底管道极限内压承载力及可靠性分析[D]. 大连理工大学, 2016.

[28] Corona E, Lee L-H, Kyriakides S. Yield anisotropy effects on buckling of circular tubes under bending[J]. International Journal of Solids and Structures, 2006, 43(22-23): 7099-7118.

[29] Hauch S R R, Bai Y. Bending moment capacity of pipes[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2000, 122(4): 243-252.

[30] 杨颖. 腐蚀管道在复杂荷载作用下的数值仿真研究[D]. 大连理工大学, 2010.

[31] 王慧平. 联合荷载作用下海底管道的弯曲破坏特性研究[D]. 大连理工大学, 2016.

[32] 李志彪. 含凹坑压力管道受轴向弯矩时的极限载荷分析[J]. 化肥设计, 2005, (01): 38-40.

[33] Bai Y, Igland R, Moan T. Tube collapse under combined pressure, tension and bending loads[J]. International Journal of offshore and polar engineering, 1993, 3(02).

[34] Guarracino F. On the analysis of cylindrical tubes under flexure: theoretical formulations, experimental data and finite element analyses[J]. Thin-Walled Structures, 2003, 41(2-3): 127-147.