高壓油氣輸送管道疲勞壽命預(yù)測研究

馬秋榮，金作良，郭志梅，李 洋，張 毅

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安 710065；2.中國石油集團管道建設(shè)項目經(jīng)理部，北京 100101；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 資陽鋼管廠，四川 資陽641300）

0 前 言

在油氣輸送管道的服役過程中，疲勞斷裂是管道的失效模式之一。管線在服役過程中承受著各種交變應(yīng)力的作用，該交變應(yīng)力一方面來自管道內(nèi)部輸送介質(zhì)壓力的波動，另一方面來自管道外部的變動載荷，如陸上車輛引起的振動、穿越河流的沖刷、凍土帶的消融以及沙漠中流沙的遷移等。各種因素產(chǎn)生的交變應(yīng)力，將使管道在應(yīng)力集中處產(chǎn)生局部的、交變的塑性變形，從而導(dǎo)致管線疲勞破壞[1-2]。此外，在高寒、滑坡、地震等惡劣地質(zhì)條件下建設(shè)長距離、高壓、大流量油氣輸送管道，管線的服役條件會更加惡化，在彎曲、軸向拉伸及壓縮載荷作用下，管道局部往往會發(fā)生嚴重的塑性變形而產(chǎn)生屈曲，但斷裂往往不是一次完成的，此時低周疲勞斷裂將成為管道斷裂的主要形式之一。

因此，對管線的疲勞行為，尤其是低周疲勞進行研究，可為嚴酷服役條件下管線的壽命預(yù)測、設(shè)計和選材提供理論依據(jù)，具有重大的工程意義。

1 試驗材料及方法

分別選取X60和X80兩種鋼級輸送焊管進行疲勞裂紋擴展速率測試分析。試驗鋼管的化學(xué)成分和拉伸性能見表1和表2。

表1 試驗鋼管的化學(xué)成分 %

表2 試驗鋼管的拉伸性能

疲勞裂紋擴展試驗采用緊湊拉伸試樣[3]，試樣厚度B分別為7.5 mm，9 mm和10 mm，寬度W=50 mm，缺口長度為12.5 mm，試樣如圖1所示。試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6398—2000在AMSLER高頻疲勞試驗機上進行，其中預(yù)制疲勞裂紋長度為2 mm，加載正弦波，頻率f=80～100 Hz，應(yīng)力比R＝0.1，裂紋長度采用直流電位法檢測系統(tǒng)進行測試。

圖1 疲勞裂紋擴展試驗試樣

2 疲勞裂紋擴展速率

通常疲勞裂紋擴展速率da/dN采用Paris公式描述，即da/dN=C（ΔK）m，其中C，m為材料常數(shù)。

圖2為X80-1管線鋼的da/dN－ΔK曲線。在雙對數(shù)坐標(biāo)下，對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，可得參數(shù)C和m，表3是da/dN－ΔK回歸數(shù)據(jù)。

圖2 X80-1管線鋼管da/dN－ΔK曲線

表3 da/dN－ΔK回歸數(shù)據(jù)（應(yīng)力比R=0.1）

疲勞裂紋擴展速率是指構(gòu)件應(yīng)力循環(huán)一次時疲勞裂紋擴展的長度，它反映了構(gòu)件疲勞性能的好壞[4]。疲勞裂紋擴展速率越高，疲勞壽命就越短，疲勞性能差；反之，疲勞壽命就長，疲勞性能好。4種不同管線鋼管da/dN－ΔK曲線如圖3所示。從圖3可知，X60-2的疲勞裂紋擴展速率最高，說明與其他3種管線鋼管相比，疲勞性能最差，抵抗疲勞裂紋擴展的能力更低，而其他3種管線鋼管相比具有更好的疲勞性能。金相分析表明，X60-2鋼管母材存在明顯的帶狀組織，而其余3種材料金相組織較為均勻，可見組織的均勻性對疲勞裂紋擴展的影響更加明顯。

圖3 4種管線鋼管da/dN－ΔK曲線對比

為了比較應(yīng)力比對疲勞裂紋擴展的影響，測試了X60-1鋼管在應(yīng)力比R=0.6時的da/dN值（編號為X60-1R）。X60-1R鋼管在應(yīng)力比R=0.6時的疲勞裂紋擴展速率的表達式為da/dN=8.17×10-10（ΔK）3.79。

圖4為X60-1鋼管在應(yīng)力比R分別為0.1和0.6時的da/dN－ΔK曲線，本試驗采用的是拉－拉等幅加載，可見，隨著應(yīng)力比的增大，裂紋擴展速率增大。

圖4 應(yīng)力比對管線鋼管da/dN－ΔK曲線的影響

3 含裂紋缺陷鋼管疲勞壽命預(yù)測

油氣管道在輸送過程中，由于壓力波動和間歇輸送，有發(fā)生疲勞損傷，甚至疲勞破壞的危險。根據(jù)輸送鋼管的疲勞性能，結(jié)合鋼管材料的理化性能，在對管道進行安全評價的基礎(chǔ)上，可以對管道進行壽命預(yù)測評估，提高管道疲勞破壞的預(yù)見性，避免發(fā)生惡性事故[5-6]。

對于承受內(nèi)壓的鋼管，其環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的2倍，因而對于輸送管線，軸向裂紋承受的應(yīng)力更高，危險性也更大[7-8]。筆者以軸向外表面裂紋為例，計算X80級φ1 219 mm×22.0 mm直縫埋弧焊管的疲勞壽命。本次計算主要考慮管線服役過程中停機檢修以及管線事故引起的停輸對鋼管壽命的影響，加載應(yīng)力比為0.1，原始裂紋缺陷a0=3 mm，2c=30 mm，裂紋擴展速率采用試驗測得的 da/dN=2.640 9×10-10（ΔK）3.8868公式計算，m=3.886 8，C=2.640 9×10-10。若輸送壓力為12 MPa，根據(jù)管材性能計算的臨界裂紋尺寸為ac=11.48 mm。

采用Paris公式

其中ΔK為裂紋尖端疲勞載荷下的應(yīng)力強度因子變化范圍。根據(jù)Zahoor等[9]的研究結(jié)果，對于承受內(nèi)壓的壓力容器和管道，當(dāng)含有軸向外表面半橢圓形裂紋時，裂紋尖端應(yīng)力強度因子的表達式為

式中：K1—裂紋尖端應(yīng)力強度；

F—裂紋尖端應(yīng)力強度因子，F(xiàn)=1.12+

0.053α+0.005 5α2+（1+0.02α+0.019 1α2）·

（20-R/t）2/1 400， α=（a/t）/（a/2c）；a—裂紋深度，mm；

2c—裂紋長度，mm；

Q—鼓脹系數(shù)， Q=（1+1.16（a2/Rt））1/2;

p—管線內(nèi)壓，MPa；R—鋼管半徑，mm；

t—鋼管壁厚，mm。

對式（1）求積分得

分離變量積分得

將a0=3 mm，ac=11.48 mm等參數(shù)帶入式（5），可求得在停輸工況下，管道循環(huán)次數(shù)為908次，按每月停輸一次計算，管線的疲勞壽命為76年（見表4）。需要說明的是，在本計算過程中只是單純考慮了裂紋尺寸和停輸工況對疲勞壽命的影響。實際管線中影響因素要復(fù)雜得多，諸如地層移動、環(huán)境溫度變化、過載、地形起伏附加的彎矩以及焊縫的殘余應(yīng)力等，對管道中裂紋的疲勞擴展都有較大的促進作用[10]。因此，對管道的實際疲勞壽命有必要考慮一定的安全裕度，若本管道按30年疲勞壽命設(shè)計的話，安全裕度為2.53。

表4 含裂紋管線疲勞壽命計算結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）編號為X60-2的鋼管疲勞裂紋擴展速率最高，其他3種鋼管疲勞裂紋擴展速率基本相當(dāng)。X60-2鋼管母材存在明顯的帶狀組織，是導(dǎo)致其疲勞性能差、抗疲勞裂紋擴展能力低的主要原因。

（2）對于原始裂紋缺陷a0=3 mm，2c=30 mm的X80級φ1 219 mm×22.0 mm直縫埋弧焊管，在停輸工況條件下管道循環(huán)次數(shù)為908次，按每月停輸一次計算，在模擬的單一工況下，管線的疲勞壽命為76年。

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