油气储运1设计计算带缺陷管道塑性极限分析的种迭代算法徐志锋刘应华徐秉业清华大学工程力学系徐志锋刘应华等带缺陷管道塑性极限分析的种迭代算法，油气储运，219518，23.

　　出摘帛，体积型缺陷压力管道的塑性极限分析及相应的安衫法的。研究，是当前压力管道完整性评价方面起着十分重要的作用，它在结构完整性评价的双判据中是个非常重要的参数。做为塑性力学的个重要分支，其分析结果可用来进步挖掘材料的潜力，并为压力管道的设计与安全评估提供有价值的指导。提出了种使用维理想刚塑性体极限上限分析的迭代算法。并以该算法分析了多组载荷作用下弯矩内压和轴力凹坑缺陷对管道塑性极限上限的影响。分析结果对含体积型缺陷压力管道的完整性评估具有实际意义。

　　主词压力管道缺陷极限分析方法，述世界各国在役压力管道数量多分布广。由于历史技术及管理上的原因，这类管道普遍存在着各种严重的体积型缺陷，其中各种形状的面凹坑是*为常的缺陷形式。凹坑作为压力管道结构面*为常的种体积型缺陷，主要是由于恶劣环境下结构局部的应力集中，降低压力管道的机械承载能力，而且可能由于疲劳载荷作用而萌生裂纹，因而严重威胁结构的安全运行，甚至诱发压力管道结构遭破坏的事故。由于目前缺少系统的理论分析充足的数值和试验结果，因此凹坑对压力管道极限承载能力的影响规律和破坏机理尚不清楚。现有规范中对凹坑缺陷容限值的规定难免过于保守。传统上，对带缺陷压力管道进行安全评估时，常常采用净载面破坏方法估计极限压力。然而，在有些情况下，压力管道的破坏取决于缺陷附近愕部的力学行为，而不是管道净载面的消弱。采用这种方法。对凹坑缺陷进行评定和处理时，在某牲情况下显得过于危险，在另些情况下，又显得过于保守，这势必给在役管道的检修带来许多困难。

　　对于压力管道结构，载荷系统除了内压作用外，还往往由于工艺或环境温度的影响，存在端部弯矩和轴力的作用。因此对于压力管道的塑性极限分析，载荷系统已由单载荷变为多组载荷，大大增加了问的复杂性。原有的各种近似理论分析手段因为引人的假设和简化太多，而且也不尽合理。所以很少有人通过解析方法进行多组载荷系统下管道的塑性极限分析。同样。由于多个载荷之间不同组合的无穷性，通过试验手段很难模拟管道系统多个载荷联合作用的真实状态，因此在目前情况下。试验方法对于管道系统的塑性极限分析难以取得令人满意的进展。

　　由于采用数值分析的方法分析多组载荷作用下凹坑缺陷对压力管道塑性极限的影响是困难的。因此，如何能高效准确地确定结构的塑性极限载荷已成为各国学者所关注的焦点之。随着有限元技术和数学规划理论的迅速发展，些学者相继提出了些近似分析方法，如8651如和，6爪310，所提提出的弹性补偿方法热参数方法，以及数学规划方法9等。数学规划方法能确定理想刚塑性体的极限承载能力，由于不涉及加载过程，因此能克服弹塑性增量分析中所遇到的困难。根据静力和机动极限分析理论，用数学规划方法可计算理想刚塑性体极限载荷的上下限值。与极限下限的计算相比，极限上限的计算会遇到更多的困难。由于目标函数的不可微性和不光滑性，因此许多数学规划中现有的解法就不能直接应用于极限上限的分析中。尽管些研究人员只心乙沁，以及219在克服极限上限分析中所遇到问方面做了大量的工作，但这些方法只适用于单个载荷的情况或简单的平面问。对于多组载荷作用下维结构的数值算法需要进步研究与发展。

　　通过使用种新的直接迭代算法对面凹坑缺陷及压力管道塑性极限上限的影响进行研究，所采用的径向加载路径可用来处理多组载荷系统，这些研究成果对含体积型缺陷压力管道的完整性评价大有益处。

　　该加载方案可适用于般的多组载荷系统。这里131的变化对应于不同的加载路径。每次迭代求解时，取定的加载路径斜率13，即固定不同载荷751和752之间的相对大小。当没从0到90变化时，每次*终迭代所得到的极限状态组成了1的完整的极限载荷曲线。在特殊情况下，当0等于0或90时，迭代所得到的解为对应于载荷751或户2单独作用时的极限解。对于理想刚塑性材料，这种加载路径的选择方案可以扩展应用到组以上独立变化载荷联合作用的极限分析。

　　准载荷。若令〃为广义极限载荷乘子，则存在广义塑性极限解为塑性极限上限分析的种新迭代算法根据经典的极限分析理论，若采用理想刚塑性模型，其屈服面固定，可以证明加载路径的选择与*终求得的极限载荷解无关。因而在极限载荷的求解过程中。尤其在理论分析中，往往采用*适合问求解的加载路径方案，如常用的比例加载方案。

　　为方便起以两组载荷户户联合作用时为例来说明1.

　　求解法加载路径意对于理想刚塑性体7，其边界为在力边界戈上作用着爪组独立变化的载荷在边界上受位移约束，技术，有以下公式荷项；Wp塑性耗散功率；U节点速度矢量。

　　采用河纪8屈服准则和相关流动法则，可以得到有引人等效单元刚度矩阵尺，=5，汉，由单元节点位移向量组成总体节点位移向量，尺，扩展为与同阶，记为尺，利用高斯积分方法，式2可进步写为I高斯积分点集；Pmo第所组载荷户对应的基准载荷的等效结点载荷。

　　对于刚性区的附加约束条件和塑性区的不可压缩条件，可由罚函数法引人，并采用1316乘子法，上述优化方程的求解等效于下述的线性问A12为罚因子，实际计算时通常取为106，J，高斯积分点上，行列式的值。

　　进步可以得到以下数学规划问对于每个单元，体积刚度矩阵为若令=几足则线性方程组式12可写成令=义，为与的同阶向量，代人式16和式显然，数学规划问式7中的目标函数是不光滑的。在刚性区上目标函数导数的奇异性，给规划问全集分为两个子集尺，+1刚性区和7+1塑性区≠0，将迭代格式中刚性区对应的目标函数从求和中去掉，同时增加约束条件，此问可进步描述为曲线性方程组式18解得向量。代人式19得到38叩6乘子2，从而求得位移解乙7.

　　这样经过多次迭代，可求得第步迭代后的结点位移向量乙，进步由式7可得到广义极限载荷乘子巧，从而得到个单调递减的极限载荷乘子序列，*终收敛于极限载荷乘子的个上限解。迭代算例1受径向内压和轴向载荷联合作用圆柱壳的极限分析内压和独立的轴向载荷联合作用时的极限载荷解。

　　结构尺寸2.

　　对于这个问，06等人1求解了基于河13 68屈服准则的近似上下限极限载荷解。2叩等人9用考虑初始不变载荷和比例载荷联合作用的维上限分析方法并采用壳元计算了此结构的极限解。本文计算得到的极限载荷曲线落在文献给出的上下解之间，与2叫等人得到的极限载荷解符合得相当好3，说明本文的计算结果具有良好的计算精度。这明所采用的加载路径的径向辐射求解方案是合理的和可行的，并且数值分析极限载荷曲线多组载荷作用下凹坑缺陷对管道塑性极限上限的影响假设材料为理想刚塑性模型，管道的半径比外径与内径之比为1.2，壁厚为20mm，材料的屈服极限为245MPa.根据对称性原理，所有含体积型缺陷管道的计算模型均取结构的分之，剖分面位于结构的对称面处。计算时，在这些对称面上施加相应的零约束。

　　含面凹坑缺陷的管道受内压弯矩和轴力联合作用时，其结构几何尺寸及受载情况4.

　　压尸引起的附加轴力2，即=尸人通过采用维20节点等参单元来离散带有4种不同类型面凹坑缺陷小面积面凹坑缺陷轴向面凹坑缺陷环向面凹坑缺陷和大面积面凹坑缺陷的压力管道，对于不同尺寸的管道和面凹坑缺陷，大约需要500，1000个单元。带有4种不同类型面凹坑缺陷管道的有限单元网格划分5.

　　地形起饮多相管流段塞流流动，瞰计算喻西崇冯叔初西南石油学院石油大学山东喻西崇冯叔初地形起伏多相管流段塞流流动参数计算，油气储运，2000，19523，26.

　　验关系式。现场实践明，段塞长度不仅与管径有关，而且还与气液相速度和气液相粘度等有关。结合现场试验，提出了种计算起伏多相管流中段塞流流动特性参数的准确方法。

　　多相流段塞流流动参数计算前言在地形起伏多相管流中的水平管段和上坡管段常出现段塞流。段塞流的产生使多相管流出现不稳定振动，甚至出现断流或分离器溢流现象。同时，由于段塞流的出现会使管路压降急剧增大，给中间茱站操作和设计终端段塞捕集器大小的确定等都会带来极大的困难，因此有必要对地形起伏多相管流中段塞流的流动参数进行定量计算。

　　现场预测段塞流的流动参数非常困难，能采用经验或半经验关系式。到目前为止。国内外还无人提出准确性很好的预测段塞流流动特性参数的关系物理模型，而这些模型又与现场起伏管道相差甚远，所以在现场单独运用这些关系式计算流动特性参数。会产生很大的误差，甚至错误的结论。这样就有必要从现场实际情况出发，比较各种关系式的优缺点，然后得出些适用于现场的经验或半经验关系塞流软件。对常用的计算段塞流流动特性参数的经验或半经验关系式进行了研究，筛选出了适用于现场的经验或半经验关系式。

　　编辑刘春阳潘家华教授级高级工程师，1930年生，1952年毕业于原北洋大学机械系。现任中国石油天然气集团公司咨询中心总工程师，兼任上海交通大学天津大学石油大学中国人民解放军后勤工程学院抚顺石油学院教授，中国科学院金属研究所客座研究员，中国石油学会常务理事，中国石油学会储运学会理事长，油气储运杂志编委会主任。

　　孔昭瑞教授，1932年生，1953年毕业于华东化工学院化工机械专业，现为江汉石油学院机械工程系高级顾问。

　　常*龙助理工程师，1971年生，1995年毕业于内蒙古大学化学专业，现在中国石油管道公司管道科技研究中心从事科技信息工作。

　　张连生工程师，1963年生，1987年毕业于辽宁电视大学石化工程系，现在抚顺石化储运公司末站从事油品质量管理工作。

　　鲍善彩工程师，1964年生，1988年毕业于石油大学山东储运专业，现在邹城输油公司生产科工作。

　　徐志锋讲师，1963年生，1983年毕业于大庆石油学院工程力学专业，1991年毕业于北方交通大学实验力学专业并获硕士学位，1996年考人清华大学工程力学系攻读博士学位，攻读博士学位以前在原中国石油天然气管道局职工学院从事教学和科研工作。

　　喻西崇1972年生，1999年毕业于石油大学山东油气储运专业并获硕士学位，现为西南石油学院油气储运专业博士研究生。

　　董绍华工程师，1972年生，1997年毕业于燕山大学，现为石油大学北京博士生，主要从事油气管道的可靠度与断裂研究。

　　邢晓凯讲师，1970年生，1992年毕业于石油大学山东储运专业，1997年在石油大学山东油气储运专业获工学硕士学位，现在石油大学山东储运教研室从事管输工艺方面的教学和科研工作。

　　王鸿工程师，1969年生，1991年毕业于西安冶金建筑学院矿产资源系，1999年获长春科技大学地质工程专业硕士学位。现在中国石油天然气管道工程有限公司从事岩土工程施工与管理工作。

　　陈情来助理工程师，1974年生，1996年毕业于长春工业高等专科学校岩土工程专业及财务会计专业，现在石油地球物理勘探局岩土工程公司从事岩土工程技术工作。

　　陶宏伟工程师，1972年生，1994年毕业于西南石油学院储运专业，现在石油管理局渠县输气分公司担任技术负责人。

　　曲柏达工程师，1968年生，1991年毕业于西安电子科技大学信息工程系，现在中国石油天然气集团公司仝道公司大庆输油管理处从事原油运销计量管理工作。

　　包成林工程师，1969年生，1991年毕业于北京大学化学系，现在中国石油管道公司管道科技研究中心工艺所工作。

　　刘洪军高级工程师，1965年生，1986年毕业于河北大学经济系计划统计专业，现任中国石油管道公司规划计划处副处长。

　　张训中工程师，1950年生，1974年毕业于原华东石油学院化工机械专业，现在中石化管道储运公司胜利输油公司从事工程技术管理工作。

　　刘伟高级工程师，1957年生，1983年毕业于原中国石油天然气管道职工学院管道工程专业，现任中国石油管道公司秦皇岛输油管理处副处长，从事输油气生产管理工作。