劉剛，孫國民，楊琥，馮現(xiàn)洪，余志兵

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

1 概述

本文總結(jié)了跨接管發(fā)生在位熱循環(huán)疲勞的計算分析方法，對分析中一些假設(shè)原則與簡化方法做了具體描述，最后通過典型算例對比分析、簡化流程進行介紹。該方法以“M”型結(jié)構(gòu)跨接管在位熱循環(huán)疲勞分析為主題，并給出熱循環(huán)引起跨接管疲勞損傷評估的設(shè)計方法。針對操作參數(shù)變化引起管道疲勞進行疲勞損傷評估基于Miner準則，采用以下規(guī)范進行分析：

DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems,2005.

DNV-RP-C203 Fatigue Design of Offshore Steel Structures,2010.

本文附錄A中給出算例對“M”型跨接管在位熱循環(huán)疲勞分析過程并進行詳細介紹。

1.1 適用范圍

本方法僅針對結(jié)構(gòu)型式為“M”型跨接管在各種熱循環(huán)事件中進行疲勞損傷進行分析，疲勞損傷的分析基于Miner準則。

對熱循環(huán)工況的簡化為兩個極限狀態(tài)，而忽略其過程中管道內(nèi)壓、溫度、熱膨脹位移等參數(shù)的動態(tài)影響。

考慮到跨接管在荷載作用下受到彎曲、扭轉(zhuǎn)及剪切等影響下，管道截面各徑向位置不同的應(yīng)力，分析模型中采用三維管單元進行定義。

管節(jié)點應(yīng)力幅值僅考慮軸向應(yīng)力。

由于組裝節(jié)點的不確定性，疲勞分析中對每個節(jié)點均考慮焊接應(yīng)力集中影響。

不考慮平均應(yīng)力對累積疲勞損傷的影響。

熱循環(huán)疲勞壽命僅作為判斷跨接管疲勞壽命的一項指標，設(shè)計者需綜合考慮安裝狀態(tài)、渦激振動等疲勞損傷等來源。本方法中所涉及“M”型結(jié)構(gòu)跨接管熱循環(huán)疲勞分析原理可應(yīng)用于其它類型的剛性跨接管。

2 設(shè)計標準

2.1 設(shè)計流程

本方法給出的跨接管在位熱循環(huán)疲勞分析設(shè)計方法。即通過有限元分析法對跨接管正常操作工況與非正常操作工況下的節(jié)點應(yīng)力進行計算，得到循環(huán)過程中的應(yīng)力幅值，基于Miner準則對各熱循環(huán)工況下計算的疲勞損傷率進行累計。參照DNV-OS-F101中安全等級對應(yīng)的許用疲勞損傷率要求，判斷疲勞壽命是否滿足設(shè)計要求。

圖1給出了適用于一般情況下跨接管熱循環(huán)疲勞分析設(shè)計流程，可結(jié)合實際情況進行具體實施。

圖1 跨接管熱循環(huán)疲勞分析流程圖

根據(jù)在位強度與在位疲勞分析得到的鋼管壁厚、等級結(jié)果與幾何形狀布置，建立整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，也可利用前期完成的在位強度有限元模型進行修改。

正常操作工況的管節(jié)點軸向應(yīng)力結(jié)果通常定義為循環(huán)過程中的應(yīng)力幅上限值，非正常工況一般為應(yīng)力幅下限值。

熱循環(huán)事件的年發(fā)生頻率通常根據(jù)油田生產(chǎn)、維護信息以及油田配產(chǎn)情況預(yù)計或指定。

對于S-N曲線，可根據(jù)指定的實驗結(jié)果、可接受的斷裂力學(xué)理論或DNV-RP-C203第二章給出的數(shù)據(jù)進行選擇。

在位熱循環(huán)疲勞損傷值為所有熱循環(huán)事件的年疲勞損傷率累計值，疲勞壽命需根據(jù)項目選取設(shè)計規(guī)范中指定的安全系數(shù)進行計算、校核。

2.2 接受標準

本分析方法中疲勞校核標準基于D N VOS-F101第五章D709所述，詳見式1：

式中：Dfat＝Miner累計疲勞損傷率；n＝應(yīng)力循環(huán)年發(fā)生次數(shù)；N＝至失效所經(jīng)歷的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)；αfat＝許用疲勞損傷率。

許用疲勞損傷率αfat可參考表1（除選用標準提供比表1更為嚴格的要求外），其對應(yīng)安全等級定義詳見DNV-OS-F101第二章C400。

表1 許用疲勞損傷率

2.3 應(yīng)力集中系數(shù)

焊接節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)在跨接管在位熱循環(huán)疲勞分析中考慮，本分析方法中給出一種管道對接焊應(yīng)力集中系數(shù)的確定方法，該焊接應(yīng)力集中系數(shù)基于DNV-RP-C203，并進行了保守的考慮，詳見圖2：

圖2 管道對接焊示意圖

式中：δm＝最大不對中寬度，m；T＝焊接管道最大壁厚，m；t＝焊接管道最小壁厚，m；

D＝鋼管外徑，m；L＝焊縫蓋帽寬度，m。

2.4 S-N曲線

應(yīng)力范圍S處出現(xiàn)疲勞時的循環(huán)數(shù)由S-N曲線定義，公式如下：

圖3 管道節(jié)點S-N曲線示意圖

對于設(shè)計中的S-N曲線可根據(jù)實際工程特點，參照DNV-RP-C203進行選取。

3 設(shè)計方法

3.1 循環(huán)荷載的應(yīng)力幅值

熱循環(huán)過程中跨接管的應(yīng)力在本分析方法中僅考慮軸向力影響。分析中出于保守及合理性考慮，對跨接管在每個循環(huán)過程中最大與最小軸向應(yīng)力進行計算。影響管道軸向力變化的參數(shù)主要包括內(nèi)壓、溫度以及PLET端部管道膨脹位移。圖31中左圖為一跨接管典型啟動/關(guān)斷過程中溫度、內(nèi)壓的變化過程，考慮到以上參數(shù)對跨接管軸向力影響趨勢的一致性，可將過程簡化為右圖的兩點形式，因此可將這些參數(shù)的上限與下限值作為對應(yīng)最大與最小軸向應(yīng)力的計算工況，從而忽略過程中各個階段。

在分別提取各節(jié)點在高溫/高壓與低溫/低壓工況的軸向應(yīng)力值sL_HPHT與sL_LPLT后，可得到熱循環(huán)的應(yīng)力幅值Sc：

圖4 熱循環(huán)過程簡化原理圖

3.2 熱循環(huán)應(yīng)力分析模型

跨接管循環(huán)應(yīng)力分析的結(jié)構(gòu)模型可參考其強度分析模型，由于跨接管在荷載作用下受到彎曲、扭轉(zhuǎn)及剪切等影響，在管道截面徑向不同角度的位置將產(chǎn)生不同的軸向力，因此應(yīng)考慮在管單元截面定義多個參考點，并提取每個節(jié)點在各位置軸向力結(jié)果，以避免使用二維管單元造成的計算結(jié)果過于保守。

3.3 設(shè)計工況

熱循環(huán)疲勞分析包括跨接管運行過程中所有預(yù)計的非正常操作事件，這些事件通常作為循環(huán)過程中的低溫/低壓工況用于計算應(yīng)力變化下限值，表2給出了一組典型工況定義與分析中計算循環(huán)上、下限軸向力的輸入?yún)?shù)：

表2 熱循環(huán)疲勞分析典型工況定義與輸入?yún)?shù)

此外參照敏感性分析中定義的跨接管尺寸范圍對最大與最小水平投影長度布置模型，分別進行熱循環(huán)應(yīng)力幅的計算，選取最大值用于疲勞損傷分析。

4 操作流程

本方法給出的計算流程基于通用有限元軟件“ANSYS”的APDL環(huán)境?；贏NSYS平臺分析程序包括以下3個“*.ans”文件，其內(nèi)容描述見表3。

表3 APDL分析程序模塊簡介

對于分析結(jié)果的疲勞壽命計算由自編“跨接管在位疲勞分析軟件”完成。

分析具體操作流程如下：

步驟1-輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

通過整理的跨接管軸向應(yīng)力計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參照“M_input.ans”格式編寫。

步驟2-運行參數(shù)化程序

將表3 中編輯完成的“*.a n s”文件（全部）放入“A N S Y S”工作文件夾，通過“ANSYS”APDL界面運行“M_lsc.ans”。

步驟3-生成結(jié)果文件

參數(shù)化程序運行后，將自動生成節(jié)點軸向力結(jié)果文件“SAXL_I.dat”與“SAXL_J.dat”。

步驟4-完成各熱循環(huán)工況跨接管在位疲勞壽命的校核。

（1）打開“跨接管在位疲勞分析軟件”，讀入步驟三中生成的全部結(jié)果。需要讀入的結(jié)果文件共4個，包括低溫低壓工況以及高溫高壓工況下管單元i、j節(jié)點上的軸向應(yīng)力。為區(qū)分LPLT與HPHT兩種工況，將不同工況結(jié)果文件分別存放在2個文件夾中。當彈出第一個讀入文件對話框時選擇LPLT工況文件夾，讀入對應(yīng)的2個LPLT工況結(jié)果文件，之后再次彈出對話框時選擇HPHT工況文件夾，讀入對應(yīng)的2個HPHT工況結(jié)果文件。

（2）在軟件界面中輸入跨接管、應(yīng)力集中系數(shù)、疲勞壽命安全系數(shù)及預(yù)計每年壓力變化循環(huán)次數(shù)后，進行計算。

（3）檢查計算結(jié)果，并打印輸出。

結(jié)束。

附錄A “M”型跨接管熱循環(huán)在位疲勞分析算例

設(shè)計參數(shù)與工況定義：示例“M”型跨接管設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)如表1：

表1 基礎(chǔ)參數(shù)

算例中預(yù)計發(fā)生的熱循環(huán)事件以及各工況溫度、內(nèi)壓與位移荷載參數(shù)見表2：

表2 工況定義與輸入?yún)?shù)

A-1 建立M型跨接管結(jié)構(gòu)模型

此示例僅列出不同工況下“M_input.ans”中輸入?yún)?shù)的變化項。參數(shù)輸入選取ANSYS “mks”單位系統(tǒng)。

……

Growth = 1.2 ！管道膨脹位移

Pressure = 2.2e+7 ！設(shè)計壓力與外壓差值

deltaT = 81.3 ！設(shè)計最高溫度對安裝溫度差值

……

Lstart = 35 ！跨接管初始水平投影長度

……

A.2 運算求解

運行“M_lsc.ans”文件，詳細參考第4節(jié)步驟2、3，得到分析結(jié)果包括“SAXL_I.dat”與“SAXL_J.dat”

A.3 疲勞壽命校核

使用“跨接管在位疲勞分析軟件”進行疲勞壽命校核。打開分析軟件并按照第4章操作流程中介紹的步驟4讀入全部結(jié)果文件；輸入應(yīng)力集中系數(shù)、疲勞壽命安全系數(shù)及預(yù)計每年壓力變化循環(huán)次數(shù)等參數(shù)進行計算分析，熱循環(huán)事件引發(fā)的累計疲勞壽命計算結(jié)果如表3所示：

表3 熱循環(huán)疲勞分析結(jié)果

圖A-1 APDL文件讀取操作示意圖

◆參考文獻

[1] DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems,2005.

[2] DNV-RP-C203 Fatigue Design of Offshore Steel Structures,2010.