天然氣長輸管道疲勞可靠壽命預測分析

沈佳園

(浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江 杭州，310000)

天然氣長輸管道疲勞可靠壽命預測分析

沈佳園

(浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江 杭州，310000)

對天然氣長輸管道疲勞可靠壽命預測進行研究，有利于確保天然氣長輸管道的安全運營。介紹了天然氣長輸管道疲勞可靠壽命的理論計算公式；基于ADINA軟件深入分析了天然氣長輸管道的流固耦合模型；進行了天然氣長輸管道疲勞可靠壽命有限元分析，提供的計算方法和結果可為天然氣長輸管道的設計及安全運營提供參考。

天然氣；長輸管道；疲勞可靠壽命；預測

我國天然氣長輸管道經過多年的發展，目前已經遍布全國各地，具有多用戶和多氣源的特點。由于各個輸氣管段的建設時間不一，氣源變化不同，其承壓能力也存在著差異，使天然氣長輸管道內壓力波動情況較為頻繁[1]。天然氣長輸管道在反復交變載荷作用下，很容易出現疲勞損傷，進而導致長輸管道出現疲勞破壞，造成重大損失；因此，對天然氣長輸管道疲勞可靠壽命預測進行研究，有利于確保天然氣長輸管道的安全運營。

1 天然氣長輸管道疲勞可靠壽命的理論計算

1.1 疲勞壽命估算

在恒定不變的載荷情況下,疲勞壽命估算常常采用Paris公式：

疲勞壽命Nc為：

1.2 疲勞可靠度R計算

2 基于ADINA軟件的天然氣長輸管道的流固耦合分析

天然氣長輸管道中存在著大量的彎管，而彎管是天然氣長輸管道中最為薄弱的環節之一。對彎管在壓力波動下的疲勞壽命和動態響應進行分析，對于彎管設計乃至整個天然氣長輸管道的安全運營都具有重要指導意義。以某輸氣站的一段彎管為例進行分析，其尺寸如圖1所示。

圖1 彎管尺寸示意圖

在結構模型中，管材為X70管線鋼，屈服極限為560 MPa，泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg/m。建模方式采用Parasolid方式，模型中含有4 640個3D-Solid單元(8節點)。材料定義為線彈性模型，約束條件為管道兩端固定約束。管道有限元模型如圖2所示，管道流固耦合邊界用黑色部分表示，B表示約束條件。

圖2 管道有限元模型

在流體模型中，不考慮動態響應受溫度變化的影響。模型中天然氣以15 m/s的初始流速從管道左端進入，動力粘度為1.107×10-6Pa·s，且將壓力載荷添加在天然氣上。流體模型選擇層流低速可壓縮流體，采用18 851個3D Fluid單元(4節點)。流體模型中的壓力載荷是較為典型的壓力波動數據，輸氣管道壓力的時間歷程曲線如圖3所示。在流體模型中導入圖3中的輸氣管道壓力時間歷程曲線，然后進行流固耦合計算，則可以得到該管線在全天內真實的動態響應。管道峰值應力的動態響應曲線如圖4所示。在輸氣過程中，該管線的峰值應力總是處于彎管內壁曲率最大處。輸氣壓力為2.98 MPa(初始時刻)時，該管線的等效應力云圖如圖5所示。

圖3 某管線輸氣管道壓力時間歷程曲線

圖4 某管線輸氣管道全天峰值應力的動態響應曲線

圖5 彎管有效應力云圖

由氣體運動產生的壓力云圖如圖6所示。從圖6可知，出口處壓力最小，進口處壓力最大，但是最大壓力也只為2.61×104Pa，相比管道輸氣壓力本身的波動(量級為MPa)可以忽略不計；所以，天然氣長輸管道在輸氣過程中，其主要的工作應力是來自于管道的壓力波動。

圖6 氣體運動引起的壓力云圖

彎管引起天然氣流速的變化如圖7所示。天然氣長輸管道中心氣體流速在流固耦合界面氣體流速為0時最大，這種現象可解釋為流體的黏性。同時，在流經彎管時，氣體的流速會變大，最高速度可達20.89 m/s，這充分說明流場會受到彎管結構較為明顯的影響。

圖7 流體沿軸線剖面的速度云圖

3 天然氣長輸管道疲勞可靠壽命有限元分析

MSC. Fatigue是一種基于有限元計算結果的疲勞壽命分析軟件。通常會有2種疲勞壽命分析方法：第1種是全壽命法，又稱為SW方法和名義應力法，在疲勞設計中由Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷法則和SW曲線進行壽命估算，能夠得到天然氣長輸管道的疲勞總壽命；第2種是局部應變壽命法(ETV方法)，裂紋擴展壽命基于斷裂力學理論來進行估算，裂紋形成壽命基于局部應力應變法來進行估算，兩者之和為總壽命[2-3]。疲勞分析通常包括獲得材料疲勞性能、采集典型載荷時間歷程和數據分析、結構有限元分析，然后再基于不同情況選擇最合適的疲勞分析方法。

3.1 X70管線鋼疲勞壽命曲線

借助于JB 4732-1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》，通過X70管線鋼的抗拉強度，插值可得X70管線鋼的疲勞壽命(見表1)。基于疲勞理論來看，疲勞循環次數與應力幅在雙對數坐標系中通常呈線性關系。采用雙對數線性關系的冪函數形式，即：SmN=C。

表1 X70管線鋼疲勞壽命

擬合表1中的數據，得到參數C=5.558×103，m=0.310 2 。

3.2 疲勞載荷的處理和彎管全壽命分析

為使進行疲勞壽命分析的疲勞載荷有可重復性和代表性，初始壓力載荷可選取某天然氣長輸管道在1個月內的壓力波動數據。通過流固耦合的方法對這1個月彎管的應力響應進行計算，將其作為疲勞壽命分析的典型載荷時間歷程。通過疲勞載荷時間歷程的功率譜發現，載荷變化屬于典型的低頻波動，故疲勞載荷分析可用計數法。所獲得的疲勞載荷利用雨流計數法來進行處理，這樣能夠得到不同均值、不同幅值載荷的等效循環周次。該管線1個月總的等效循環周次為67。

利用MSC. Fatigue軟件的材料數據庫管理器PEMAT，將X70管線鋼S-N曲線輸入到中心材料數據庫，并行平均應力修正。修正方法采用Goodman法，彎管的疲勞壽命云圖如圖8所示。天然氣長輸管道的疲勞壽命不是均勻分布的，最小疲勞壽命出現在曲率最大的位置，這是由于在輸氣過程中，天然氣長輸管道的峰值應力出現在彎管內壁曲率最大處，進而會造成該處最小疲勞壽命。在相同載荷作用下，曲率最大彎管處的疲勞壽命為1 240次，而直管位置的疲勞壽命為1020次。

圖8 典型載荷譜作用下彎管疲勞壽命云圖

此外，由雨流計數法得到的不同均值、不同幅值下的載荷循環，若載荷均值和載荷幅值過小，那么不會損傷到結構；若載荷均值一定，那么載荷幅值越大，所造成的疲勞損傷就越大；若載荷幅值一定，那么載荷均值越大，所造成的疲勞損傷就越大。由此可見，將天然氣長輸管道的輸氣壓力減小或者將其控制在較小的波動范圍內，都能夠有效地延長輸氣管道的使用壽命。

4 結語

1)利用ADINA軟件建立起天然氣長輸管道的流固耦合模型，對彎管在壓力波動下的疲勞壽命和動態響應進行分析，分析結果表明，在輸氣過程中，該管線的峰值應力總是處于彎管內壁曲率最大處。

2)天然氣長輸管道中心氣體流速在流固耦合界面氣體流速為0時最大，這種現象可解釋為流體的黏性；同時，在流經彎管時，氣體的流速會變大，這充分說明流場會受到彎管結構較為明顯的影響。

3)將天然氣長輸管道的輸氣壓力減小或者將其控制在較小的波動范圍內，能夠有效地延長輸氣管道的使用壽命。

[1] Xu T,Lauridsen B,Bai Y. Wave-induced fatigue of multi-span pipelines[J].Marine Structures,1999,20(12):83-106.

[2] 金偉良,付勇,趙冬巖,等.具有裂紋損傷的海底管道斷裂及疲勞評估[J].海洋工程,2005,23(3):7-16.

[3] 劉永和.腐蝕海底管道剩余強度的可靠性模型及評估研究[J].新技術新工藝，2013(4)：111-113.

責任編輯彭光宇

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NaturalGasPipelineReliableFatigueLifePredictionAnalysis

SHEN Jiayuan

(Zhejiang Energy Natural Gas Running Ltd.， Hangzhou 310000，China)

Reliable long distance gas pipeline fatigue life prediction research, can help ensure safe operation of long distance gas pipelines. This paper introduces the theory of natural gas pipeline reliable fatigue life calculation formula, and secondly, based on ADINA-depth analysis fluid-structure coupling model of long distance gas pipeline is analyzed, also conducted a long-distance gas pipeline fatigue life and reliable finite element analysis that provides the calculation methods and results which can provide a reference for the design and safe operation of the gas transmission pipeline.

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TE 973

：A

沈佳園(1973-)，男，工程師，主要從事天然氣管道管理方面的研究。

2014-12-15