張華 羅金恒 趙新偉 張廣利

中國石油天然氣集團公司管材研究所·石油管力學和環(huán)境行為重點實驗室

西氣東輸二線X80鋼管焊縫疲勞壽命分析

張華 羅金恒 趙新偉 張廣利

中國石油天然氣集團公司管材研究所·石油管力學和環(huán)境行為重點實驗室

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

輸氣管道運行過程中,輸氣量的變化會導致管道承受一定的波動壓力,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,不能完全滿足管道可靠性評估的需要。為此,通過對管道焊縫材料進行疲勞實驗,采用單邊容限分析方法,同時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X80鋼管焊縫的疲勞壽命曲線;根據(jù)管道輸氣量不均勻系數(shù),建立了管道的應力譜;在此基礎上利用損傷累計原理評估了西氣東輸二線管道焊縫疲勞可靠性壽命。計算結果表明,在設計壽命周期內,西氣東輸二線管道不會發(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估提供依據(jù),具有一定的工程應用價值。

輸氣管道 西氣東輸二線 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

對于以正在建設的西氣東輸二線為代表的一批高壓大口徑天然氣長輸管道來說,由于其在我國能源供應方面的突出作用,管道的安全運行尤為重要。

在大口徑輸氣管道建設中,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,會導致焊縫及熱影響區(qū)金屬性能的不均勻,而熔合線和熱影響區(qū)是焊縫區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)。相對于輸油管線,輸氣管線所承受的內壓波動較為明顯,高壓氣輸送管道的最小與最大內壓比超過0.8[1]。管道建造和維修過程的不當會在管道中尤其在焊縫內產生缺陷,在內壓的波動下在這些缺陷部位會產生疲勞,嚴重時會導致管線局部過早產生疲勞失效,引起管線的泄漏。因此,管道焊縫缺陷處的疲勞問題也應該引起重視[224]。

1 焊縫材料疲勞壽命曲線測試

1.1 材料與實驗條件

實驗材料為西氣東輸二線X80管線鋼,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

疲勞試驗在 PLD2100KN型電液伺服疲勞試驗機上進行,疲勞加載為應力控制,應力比為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 實驗數(shù)據(jù)處理

對于焊接結構,根據(jù)疲勞理論[5],其外加應力 S和疲勞壽命N滿足以下關系:

式(1)中,C為與材料相關的常數(shù)。實驗采用5組應力水平測試45個試樣的疲勞壽命,通過回歸分析得到了X80管線鋼焊縫的疲勞壽命曲線,分析結果見圖2。

圖2 X80管線鋼焊接區(qū)材料的S—N曲線圖

試驗所得疲勞壽命曲線的擬合表達式為:

1958年，當中國第一艘萬噸遠洋輪“躍進號”下水，中國“鉀鹽人”開始了進軍青海鹽湖的“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。來自全國各地、不同民族的鹽湖拓荒者匯聚鹽湖、扎根鹽湖開始追求夢想，走上一條艱難曲折又充滿希望的道路。從開天辟地的第一錘正式落下開始，承受著低壓缺氧、血管充脹而面色黢黑的“鹽湖人”，就開始用體能、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。

經相關性檢驗可知,相關系數(shù)|γ|大于起碼值(n=45對應的起碼值為0.372 1),說明線性擬合是適合的。

1.3 焊接接頭材料的 P—S—N曲線

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

根據(jù)本文參考文獻[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計算如下:

Lp,γ近似計算如下:

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[6]可知,對于鋼焊接構件可取 Cv=0.035。對于本次實驗,ni=9,取γ=90%,對于 P=90%,P=95%,P=99.9%3 種情況計算 1-LP,γCv(表 1):

表1 1-LP,γCv的計算結果表

計算得到置信度(γ)為90%下的 P—S—N曲線表達式為:

2 管道載荷譜分析

2.1 管道載荷的不均勻系數(shù)分析

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

管道輸氣的不均勻系數(shù)是隨時間變化的,定義為給定時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告,綜合小時不均勻系數(shù)曲線見圖3。采用最大載荷確定的以管道不均勻系數(shù)表示的簡化譜見圖4?？梢?無論是在夏季還是冬季,每天的內壓波動在管道上產生的應力循環(huán)只有幾次,且夏季波動的幅度比冬季要大。

圖3 綜合小時不均勻系數(shù)曲線圖

圖4 以管道不均勻系數(shù)表示的簡化譜圖

由圖4可知,管道每一天要經歷一個低應力比的大循環(huán)載荷,也要經歷幾個高應力比的循環(huán)載荷。夏季管道每天經歷5個載荷循環(huán),冬季管道每天經歷3個載荷循環(huán)。將管道的載荷循環(huán)按從大到小的順序重新排列,整理的結果見圖5。

圖5 管道所受載荷循環(huán)譜圖

2.2 作用在管道上的應力

通常,管線所受的載荷取決于管道運行的內壓,內壓在管道的環(huán)向形成應力。管道的環(huán)向應力可應用Barlow公式計算:

式中:S為內壓在管道上產生的環(huán)向應力;p為管道運行內壓;D為管道直徑;t為管道壁厚。

西氣東輸二線工程西段主要設計參數(shù)為:管道最大運行壓力(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(一類地區(qū))。通過式(7)得到管道在內壓作用下承受的最大環(huán)向應力為397.5 M Pa。

夏季每小時的最大用氣量為223.2×104m3,冬季每小時的最大用氣量為269.1×104m3,取最大用氣量所產生的管道內壓(p)為12 M Pa,對應于1 219×18.4 mm規(guī)格管道,極限環(huán)向應力為397.5 M Pa,即冬季最大不均勻系數(shù)1.42下管道上產生的名義應力為397.5 M Pa。夏季用氣量減小,相應作用在管道上的應力要降低,夏季用氣量是冬季的0.829,則所產生的名義應力為329.5 M Pa,該應力對應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)譜圖轉換為管道的應力譜圖,如圖6。由圖6可知夏季用氣量較小,管道承受的應力較低,應力波動的幅度大,對應的應力比較小;冬季的用氣量較大,管道承受的應力較高,但應力波動的幅度小,對應的應力比較大。

圖6 管道運行所受的應力譜圖

2.3 管道應力譜計算

焊接結構中的疲勞裂紋通常沿焊趾形成,然后進入熱影響區(qū)。在焊接管道疲勞壽命預測過程中應考慮下列因素:焊接缺陷、焊接熱過程引起焊趾部位材料的力學性能變化、焊縫余高產生的預應力集中等。其中前兩項已經包括在 P—S—N曲線中。焊縫余高產生的應力集中可以計算如下[8]:

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

通過上式計算,焊縫應力集中系數(shù)可取1.5。管道運行周期內,冬季載荷按3個月計算,夏季載荷按照9個月計算,同時考慮焊縫處的應力集中,得到如表2所示的管道應力譜。

表2 管道應力譜表

3 管道疲勞壽命和失效概率估算

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

按照焊縫材料的 P2S2N曲線和管道應力譜,估算了4種安全概率下西氣東輸二線X80鋼管的疲勞壽命,結果見表3。壽命計算結果表明,在管道設計壽命期內不會發(fā)生疲勞失效。

表3 管道疲勞壽命估算結果

4 結論與建議

通過試驗研究,采用單邊容限分析方法,同時考慮安全概率和置信度要求,建立了X80管線鋼不同安全概率下的 P—S—N曲線。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力譜。在此基礎上,基于損傷累計原理,估算了管道在不同安全概率情況下的疲勞壽命。計算結果表明,管道在設計壽命周期內不會發(fā)生疲勞破壞。

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

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(修改回稿日期 2010-03-25 編輯 何 明)

國家“十一五”科技支撐計劃課題(編號: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價和風險評估工作。地址:(710065)陜西省西安市電子二路32號。電話:(029)88726204。E-mail:zhangh@tgrc.o rg