西氣東輸二線(xiàn)X80鋼管焊縫疲勞壽命分析

張華 羅金恒 趙新偉 張廣利

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所·石油管力學(xué)和環(huán)境行為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

西氣東輸二線(xiàn)X80鋼管焊縫疲勞壽命分析

張華 羅金恒 趙新偉 張廣利

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所·石油管力學(xué)和環(huán)境行為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

張華等.西氣東輸二線(xiàn)X80鋼管焊縫疲勞壽命分析.天然氣工業(yè),2010,30(5):95-98.

輸氣管道運(yùn)行過(guò)程中,輸氣量的變化會(huì)導(dǎo)致管道承受一定的波動(dòng)壓力,造成管道發(fā)生疲勞損傷,從而威脅管道的安全。通常在管材疲勞壽命測(cè)試和分析中尚未考慮置信度和安全概率的要求,不能完全滿(mǎn)足管道可靠性評(píng)估的需要。為此,通過(guò)對(duì)管道焊縫材料進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn),采用單邊容限分析方法,同時(shí)考慮安全概率和置信度要求,建立了不同安全概率下西氣東輸二線(xiàn)X80鋼管焊縫的疲勞壽命曲線(xiàn);根據(jù)管道輸氣量不均勻系數(shù),建立了管道的應(yīng)力譜;在此基礎(chǔ)上利用損傷累計(jì)原理評(píng)估了西氣東輸二線(xiàn)管道焊縫疲勞可靠性壽命。計(jì)算結(jié)果表明,在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi),西氣東輸二線(xiàn)管道不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。該方法可以為管道疲勞壽命分析和可靠性評(píng)估提供依據(jù),具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

輸氣管道 西氣東輸二線(xiàn) 單邊容限分析 鋼管焊縫 疲勞壽命 安全概率 置信水平 可靠性

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.05.024

對(duì)于以正在建設(shè)的西氣東輸二線(xiàn)為代表的一批高壓大口徑天然氣長(zhǎng)輸管道來(lái)說(shuō),由于其在我國(guó)能源供應(yīng)方面的突出作用,管道的安全運(yùn)行尤為重要。

在大口徑輸氣管道建設(shè)中,大量使用了螺旋埋弧焊接鋼管。在管道的焊接區(qū),由于焊接金屬的重熔和焊接熱的影響,會(huì)導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)金屬性能的不均勻,而熔合線(xiàn)和熱影響區(qū)是焊縫區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)。相對(duì)于輸油管線(xiàn),輸氣管線(xiàn)所承受的內(nèi)壓波動(dòng)較為明顯,高壓氣輸送管道的最小與最大內(nèi)壓比超過(guò)0.8[1]。管道建造和維修過(guò)程的不當(dāng)會(huì)在管道中尤其在焊縫內(nèi)產(chǎn)生缺陷,在內(nèi)壓的波動(dòng)下在這些缺陷部位會(huì)產(chǎn)生疲勞,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管線(xiàn)局部過(guò)早產(chǎn)生疲勞失效,引起管線(xiàn)的泄漏。因此,管道焊縫缺陷處的疲勞問(wèn)題也應(yīng)該引起重視[224]。

1 焊縫材料疲勞壽命曲線(xiàn)測(cè)試

1.1 材料與實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)材料為西氣東輸二線(xiàn)X80管線(xiàn)鋼,疲勞試樣從鋼管上切取,其中螺旋焊縫和直焊縫各占一半。取樣加工成直徑為6 mm的圓棒疲勞試樣,如圖1所示。

圖1 疲勞試樣示意圖

疲勞試驗(yàn)在 PLD2100KN型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,疲勞加載為應(yīng)力控制,應(yīng)力比為0.1,加載頻率為10 Hz,在靠近疲勞極限的壽命區(qū),加載頻率為20 Hz,加載波形為三角波。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對(duì)于焊接結(jié)構(gòu),根據(jù)疲勞理論[5],其外加應(yīng)力 S和疲勞壽命N滿(mǎn)足以下關(guān)系:

式(1)中,C為與材料相關(guān)的常數(shù)。實(shí)驗(yàn)采用5組應(yīng)力水平測(cè)試45個(gè)試樣的疲勞壽命,通過(guò)回歸分析得到了X80管線(xiàn)鋼焊縫的疲勞壽命曲線(xiàn),分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 X80管線(xiàn)鋼焊接區(qū)材料的S—N曲線(xiàn)圖

試驗(yàn)所得疲勞壽命曲線(xiàn)的擬合表達(dá)式為:

1958年，當(dāng)中國(guó)第一艘萬(wàn)噸遠(yuǎn)洋輪“躍進(jìn)號(hào)”下水，中國(guó)“鉀鹽人”開(kāi)始了進(jìn)軍青海鹽湖的“處女”航，向孤寂、沉睡的鹽湖發(fā)出壓抑了很久之后的第一聲吶喊。來(lái)自全國(guó)各地、不同民族的鹽湖拓荒者匯聚鹽湖、扎根鹽湖開(kāi)始追求夢(mèng)想，走上一條艱難曲折又充滿(mǎn)希望的道路。從開(kāi)天辟地的第一錘正式落下開(kāi)始，承受著低壓缺氧、血管充脹而面色黢黑的“鹽湖人”，就開(kāi)始用體能、用意志、用生命，向自然、向貧瘠、向鉀鹽資源匱乏的現(xiàn)狀發(fā)起一次次挑戰(zhàn)，并不斷刷新世界鉀鹽史上的不朽記錄。

經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn)可知,相關(guān)系數(shù)|γ|大于起碼值(n=45對(duì)應(yīng)的起碼值為0.372 1),說(shuō)明線(xiàn)性擬合是適合的。

1.3 焊接接頭材料的 P—S—N曲線(xiàn)

式(2)給出的S—N曲線(xiàn)安全概率 P=50%,在計(jì)算管道疲勞壽命時(shí),這樣的可靠性水平不能滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需求,因此需要提供指定置信度要求的 P—S—N曲線(xiàn),以便按照不同的需求,給出不同可靠性水平的疲勞分析計(jì)算結(jié)果[627]。

根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[6]、[7],基于單邊容限分析方法,給定安全概率和置信度區(qū)間γ的疲勞壽命 NP,γ計(jì)算如下:

Lp,γ近似計(jì)算如下:

式中:uP為指定概率下的概率系數(shù);uγ為指定置信度γ下的概率系數(shù),可在正態(tài)函數(shù)表中查取。由本文參考文獻(xiàn)[6]可知,對(duì)于鋼焊接構(gòu)件可取 Cv=0.035。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn),ni=9,取γ=90%,對(duì)于 P=90%,P=95%,P=99.9%3 種情況計(jì)算 1-LP,γCv(表 1):

表1 1-LP,γCv的計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算得到置信度(γ)為90%下的 P—S—N曲線(xiàn)表達(dá)式為:

2 管道載荷譜分析

2.1 管道載荷的不均勻系數(shù)分析

管道的輸送壓力會(huì)隨用戶(hù)用氣量等因素而變化,因而管道所承受的是變化的脈動(dòng)載荷,這種脈動(dòng)載荷會(huì)使管道產(chǎn)生疲勞損傷。管道在輸氣過(guò)程中所承受的變動(dòng)載荷取決于管道輸氣的不均勻系數(shù)和調(diào)峰量[8]。

管道輸氣的不均勻系數(shù)是隨時(shí)間變化的,定義為給定時(shí)間的輸氣量與其平均輸氣量的比值。參照西氣東輸工程可行性研究報(bào)告,綜合小時(shí)不均勻系數(shù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。采用最大載荷確定的以管道不均勻系數(shù)表示的簡(jiǎn)化譜見(jiàn)圖4。可見(jiàn),無(wú)論是在夏季還是冬季,每天的內(nèi)壓波動(dòng)在管道上產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán)只有幾次,且夏季波動(dòng)的幅度比冬季要大。

圖3 綜合小時(shí)不均勻系數(shù)曲線(xiàn)圖

圖4 以管道不均勻系數(shù)表示的簡(jiǎn)化譜圖

由圖4可知,管道每一天要經(jīng)歷一個(gè)低應(yīng)力比的大循環(huán)載荷,也要經(jīng)歷幾個(gè)高應(yīng)力比的循環(huán)載荷。夏季管道每天經(jīng)歷5個(gè)載荷循環(huán),冬季管道每天經(jīng)歷3個(gè)載荷循環(huán)。將管道的載荷循環(huán)按從大到小的順序重新排列,整理的結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 管道所受載荷循環(huán)譜圖

2.2 作用在管道上的應(yīng)力

通常,管線(xiàn)所受的載荷取決于管道運(yùn)行的內(nèi)壓,內(nèi)壓在管道的環(huán)向形成應(yīng)力。管道的環(huán)向應(yīng)力可應(yīng)用Barlow公式計(jì)算:

式中:S為內(nèi)壓在管道上產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力;p為管道運(yùn)行內(nèi)壓;D為管道直徑;t為管道壁厚。

西氣東輸二線(xiàn)工程西段主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:管道最大運(yùn)行壓力(p)為12 M Pa,管徑為1 219 mm,西段目前主要采用的管道壁厚為18.4 mm(一類(lèi)地區(qū))。通過(guò)式(7)得到管道在內(nèi)壓作用下承受的最大環(huán)向應(yīng)力為397.5 M Pa。

夏季每小時(shí)的最大用氣量為223.2×104m3,冬季每小時(shí)的最大用氣量為269.1×104m3,取最大用氣量所產(chǎn)生的管道內(nèi)壓(p)為12 M Pa,對(duì)應(yīng)于1 219×18.4 mm規(guī)格管道,極限環(huán)向應(yīng)力為397.5 M Pa,即冬季最大不均勻系數(shù)1.42下管道上產(chǎn)生的名義應(yīng)力為397.5 M Pa。夏季用氣量減小,相應(yīng)作用在管道上的應(yīng)力要降低,夏季用氣量是冬季的0.829,則所產(chǎn)生的名義應(yīng)力為329.5 M Pa,該應(yīng)力對(duì)應(yīng)夏季最大的不均勻系數(shù)1.84。按此規(guī)律,將圖5給出的以不均勻系數(shù)表示的載荷循環(huán)譜圖轉(zhuǎn)換為管道的應(yīng)力譜圖,如圖6。由圖6可知夏季用氣量較小,管道承受的應(yīng)力較低,應(yīng)力波動(dòng)的幅度大,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力比較小;冬季的用氣量較大,管道承受的應(yīng)力較高,但應(yīng)力波動(dòng)的幅度小,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力比較大。

圖6 管道運(yùn)行所受的應(yīng)力譜圖

2.3 管道應(yīng)力譜計(jì)算

焊接結(jié)構(gòu)中的疲勞裂紋通常沿焊趾形成,然后進(jìn)入熱影響區(qū)。在焊接管道疲勞壽命預(yù)測(cè)過(guò)程中應(yīng)考慮下列因素:焊接缺陷、焊接熱過(guò)程引起焊趾部位材料的力學(xué)性能變化、焊縫余高產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力集中等。其中前兩項(xiàng)已經(jīng)包括在 P—S—N曲線(xiàn)中。焊縫余高產(chǎn)生的應(yīng)力集中可以計(jì)算如下[8]:

式中:Kt為焊縫處理論應(yīng)力集中系數(shù),θ為焊趾角度(弧度),ρ為焊趾曲率半徑。

通過(guò)上式計(jì)算,焊縫應(yīng)力集中系數(shù)可取1.5。管道運(yùn)行周期內(nèi),冬季載荷按3個(gè)月計(jì)算,夏季載荷按照9個(gè)月計(jì)算,同時(shí)考慮焊縫處的應(yīng)力集中,得到如表2所示的管道應(yīng)力譜。

表2 管道應(yīng)力譜表

3 管道疲勞壽命和失效概率估算

即在變幅載荷下,疲勞總損傷達(dá)到臨界值1.0時(shí),發(fā)生疲勞失效,此即M iner的線(xiàn)性累積損傷定則。

按照焊縫材料的 P2S2N曲線(xiàn)和管道應(yīng)力譜,估算了4種安全概率下西氣東輸二線(xiàn)X80鋼管的疲勞壽命,結(jié)果見(jiàn)表3。壽命計(jì)算結(jié)果表明,在管道設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)不會(huì)發(fā)生疲勞失效。

表3 管道疲勞壽命估算結(jié)果

4 結(jié)論與建議

通過(guò)試驗(yàn)研究,采用單邊容限分析方法,同時(shí)考慮安全概率和置信度要求,建立了X80管線(xiàn)鋼不同安全概率下的 P—S—N曲線(xiàn)。根據(jù)管道輸氣量的不均勻系數(shù),得到了管道在冬季和夏季的應(yīng)力譜。在此基礎(chǔ)上,基于損傷累計(jì)原理,估算了管道在不同安全概率情況下的疲勞壽命。計(jì)算結(jié)果表明,管道在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

從焊縫材料疲勞壽命預(yù)測(cè)模型和管道應(yīng)力分析可知,通常管道所承受的名義應(yīng)力較低,焊縫的疲勞壽命受焊趾的應(yīng)力集中影響較大。因此精確測(cè)量和估算焊趾應(yīng)力集中是十分重要的。

[1]W ILMOTT M J,SURTHER R L.The role of p ressure and p ressure fluctuations in the grow th of stress co rrosion cracks in line pipe steels[C]∥The International Pipeline Conference 1998.Calgary:[s.n.],1998:409-422.

[2]胡道華,張有渝,黃正.對(duì)天然氣管道焊接檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的討論——以西氣東輸中衛(wèi)黃河跨越工程為例[J].天然氣工業(yè),2009,29(3):88-90.

[3]FOWLER J R,ALEXANDER C R,KOVACH PJ,et al.Fatigue life of pipelines dents and gouge subjected to cyclic internal p ressure[C]∥Binennial joint technical meeting on pipeline research.Cambridge,U K:EPRG/PRC,1995.

[4]BATISSE R,M EZIERE Y,MOKHDAN IC,et al.A fatigue crack2initiation criterion fo r the assessment of the residual life of gas transmission pipelines w ith“gouge only”or“gouge in dent”defects[C] ∥Binennial joint technical meeting on pipeline research.Cambridge,UK:EPRG/PRC,1995.

[5]方華燦.海洋石油鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,1990.

[6]賈星蘭,劉文.焊接結(jié)構(gòu)低溫疲勞 P—S—N曲線(xiàn)的研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2001,23(6):684-686.

[7]張駿華.結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)與分析[M].北京:宇航出版社,1989.

[8]趙新偉,韓曉毅,羅金恒,等.西氣東輸用焊接鋼管疲勞可靠性壽命評(píng)估[J].石油機(jī)械,2005,33(3):10-13.

(修改回稿日期 2010-03-25 編輯 何 明)

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃課題(編號(hào):2008BAB30B03)。

張華,1977年生,工程師,碩士;主要從事油氣輸送管道的安全評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。地址:(710065)陜西省西安市電子二路32號(hào)。電話(huà):(029)88726204。E-mail:zhangh@tgrc.o rg