西气东输二线X80钢管焊缝疲劳寿命分析

张华 罗金恒 赵新伟 张广利

中国石油天然气集团公司管材研究所·石油管力学和环境行为重点实验室

西气东输二线X80钢管焊缝疲劳寿命分析

张华 罗金恒 赵新伟 张广利

中国石油天然气集团公司管材研究所·石油管力学和环境行为重点实验室

张华等.西气东输二线X80钢管焊缝疲劳寿命分析.天然气工业,2010,30(5):95-98.

输气管道运行过程中,输气量的变化会导致管道承受一定的波动压力,造成管道发生疲劳损伤,从而威胁管道的安全。通常在管材疲劳寿命测试和分析中尚未考虑置信度和安全概率的要求,不能完全满足管道可靠性评估的需要。为此,通过对管道焊缝材料进行疲劳实验,采用单边容限分析方法,同时考虑安全概率和置信度要求,建立了不同安全概率下西气东输二线X80钢管焊缝的疲劳寿命曲线;根据管道输气量不均匀系数,建立了管道的应力谱;在此基础上利用损伤累计原理评估了西气东输二线管道焊缝疲劳可靠性寿命。计算结果表明,在设计寿命周期内,西气东输二线管道不会发生疲劳破坏。该方法可以为管道疲劳寿命分析和可靠性评估提供依据,具有一定的工程应用价值。

输气管道 西气东输二线 单边容限分析 钢管焊缝 疲劳寿命 安全概率 置信水平 可靠性

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.05.024

对于以正在建设的西气东输二线为代表的一批高压大口径天然气长输管道来说,由于其在我国能源供应方面的突出作用,管道的安全运行尤为重要。

在大口径输气管道建设中,大量使用了螺旋埋弧焊接钢管。在管道的焊接区,由于焊接金属的重熔和焊接热的影响,会导致焊缝及热影响区金属性能的不均匀,而熔合线和热影响区是焊缝区的薄弱环节。相对于输油管线,输气管线所承受的内压波动较为明显,高压气输送管道的最小与最大内压比超过0.8[1]。管道建造和维修过程的不当会在管道中尤其在焊缝内产生缺陷,在内压的波动下在这些缺陷部位会产生疲劳,严重时会导致管线局部过早产生疲劳失效,引起管线的泄漏。因此,管道焊缝缺陷处的疲劳问题也应该引起重视[224]。

1 焊缝材料疲劳寿命曲线测试

1.1 材料与实验条件

实验材料为西气东输二线X80管线钢,疲劳试样从钢管上切取,其中螺旋焊缝和直焊缝各占一半。取样加工成直径为6 mm的圆棒疲劳试样,如图1所示。

图1 疲劳试样示意图

疲劳试验在 PLD2100KN型电液伺服疲劳试验机上进行,疲劳加载为应力控制,应力比为0.1,加载频率为10 Hz,在靠近疲劳极限的寿命区,加载频率为20 Hz,加载波形为三角波。

1.2 实验数据处理

对于焊接结构,根据疲劳理论[5],其外加应力 S和疲劳寿命N满足以下关系:

式(1)中,C为与材料相关的常数。实验采用5组应力水平测试45个试样的疲劳寿命,通过回归分析得到了X80管线钢焊缝的疲劳寿命曲线,分析结果见图2。

图2 X80管线钢焊接区材料的S—N曲线图

试验所得疲劳寿命曲线的拟合表达式为:

1958年，当中国第一艘万吨远洋轮“跃进号”下水，中国“钾盐人”开始了进军青海盐湖的“处女”航，向孤寂、沉睡的盐湖发出压抑了很久之后的第一声呐喊。来自全国各地、不同民族的盐湖拓荒者汇聚盐湖、扎根盐湖开始追求梦想，走上一条艰难曲折又充满希望的道路。从开天辟地的第一锤正式落下开始，承受着低压缺氧、血管充胀而面色黢黑的“盐湖人”，就开始用体能、用意志、用生命，向自然、向贫瘠、向钾盐资源匮乏的现状发起一次次挑战，并不断刷新世界钾盐史上的不朽记录。

经相关性检验可知,相关系数|γ|大于起码值(n=45对应的起码值为0.372 1),说明线性拟合是适合的。

1.3 焊接接头材料的 P—S—N曲线

式(2)给出的S—N曲线安全概率 P=50%,在计算管道疲劳寿命时,这样的可靠性水平不能满足工程应用的需求,因此需要提供指定置信度要求的 P—S—N曲线,以便按照不同的需求,给出不同可靠性水平的疲劳分析计算结果[627]。

根据本文参考文献[6]、[7],基于单边容限分析方法,给定安全概率和置信度区间γ的疲劳寿命 NP,γ计算如下:

Lp,γ近似计算如下:

式中:uP为指定概率下的概率系数;uγ为指定置信度γ下的概率系数,可在正态函数表中查取。由本文参考文献[6]可知,对于钢焊接构件可取 Cv=0.035。对于本次实验,ni=9,取γ=90%,对于 P=90%,P=95%,P=99.9%3 种情况计算 1-LP,γCv(表 1):

表1 1-LP,γCv的计算结果表

计算得到置信度(γ)为90%下的 P—S—N曲线表达式为:

2 管道载荷谱分析

2.1 管道载荷的不均匀系数分析

管道的输送压力会随用户用气量等因素而变化,因而管道所承受的是变化的脉动载荷,这种脉动载荷会使管道产生疲劳损伤。管道在输气过程中所承受的变动载荷取决于管道输气的不均匀系数和调峰量[8]。

管道输气的不均匀系数是随时间变化的,定义为给定时间的输气量与其平均输气量的比值。参照西气东输工程可行性研究报告,综合小时不均匀系数曲线见图3。采用最大载荷确定的以管道不均匀系数表示的简化谱见图4。可见,无论是在夏季还是冬季,每天的内压波动在管道上产生的应力循环只有几次,且夏季波动的幅度比冬季要大。

图3 综合小时不均匀系数曲线图

图4 以管道不均匀系数表示的简化谱图

由图4可知,管道每一天要经历一个低应力比的大循环载荷,也要经历几个高应力比的循环载荷。夏季管道每天经历5个载荷循环,冬季管道每天经历3个载荷循环。将管道的载荷循环按从大到小的顺序重新排列,整理的结果见图5。

图5 管道所受载荷循环谱图

2.2 作用在管道上的应力

通常,管线所受的载荷取决于管道运行的内压,内压在管道的环向形成应力。管道的环向应力可应用Barlow公式计算:

式中:S为内压在管道上产生的环向应力;p为管道运行内压;D为管道直径;t为管道壁厚。

西气东输二线工程西段主要设计参数为:管道最大运行压力(p)为12 M Pa,管径为1 219 mm,西段目前主要采用的管道壁厚为18.4 mm(一类地区)。通过式(7)得到管道在内压作用下承受的最大环向应力为397.5 M Pa。

夏季每小时的最大用气量为223.2×104m3,冬季每小时的最大用气量为269.1×104m3,取最大用气量所产生的管道内压(p)为12 M Pa,对应于1 219×18.4 mm规格管道,极限环向应力为397.5 M Pa,即冬季最大不均匀系数1.42下管道上产生的名义应力为397.5 M Pa。夏季用气量减小,相应作用在管道上的应力要降低,夏季用气量是冬季的0.829,则所产生的名义应力为329.5 M Pa,该应力对应夏季最大的不均匀系数1.84。按此规律,将图5给出的以不均匀系数表示的载荷循环谱图转换为管道的应力谱图,如图6。由图6可知夏季用气量较小,管道承受的应力较低,应力波动的幅度大,对应的应力比较小;冬季的用气量较大,管道承受的应力较高,但应力波动的幅度小,对应的应力比较大。

图6 管道运行所受的应力谱图

2.3 管道应力谱计算

焊接结构中的疲劳裂纹通常沿焊趾形成,然后进入热影响区。在焊接管道疲劳寿命预测过程中应考虑下列因素:焊接缺陷、焊接热过程引起焊趾部位材料的力学性能变化、焊缝余高产生的预应力集中等。其中前两项已经包括在 P—S—N曲线中。焊缝余高产生的应力集中可以计算如下[8]:

式中:Kt为焊缝处理论应力集中系数,θ为焊趾角度(弧度),ρ为焊趾曲率半径。

通过上式计算,焊缝应力集中系数可取1.5。管道运行周期内,冬季载荷按3个月计算,夏季载荷按照9个月计算,同时考虑焊缝处的应力集中,得到如表2所示的管道应力谱。

表2 管道应力谱表

3 管道疲劳寿命和失效概率估算

即在变幅载荷下,疲劳总损伤达到临界值1.0时,发生疲劳失效,此即M iner的线性累积损伤定则。

按照焊缝材料的 P2S2N曲线和管道应力谱,估算了4种安全概率下西气东输二线X80钢管的疲劳寿命,结果见表3。寿命计算结果表明,在管道设计寿命期内不会发生疲劳失效。

表3 管道疲劳寿命估算结果

4 结论与建议

通过试验研究,采用单边容限分析方法,同时考虑安全概率和置信度要求,建立了X80管线钢不同安全概率下的 P—S—N曲线。根据管道输气量的不均匀系数,得到了管道在冬季和夏季的应力谱。在此基础上,基于损伤累计原理,估算了管道在不同安全概率情况下的疲劳寿命。计算结果表明,管道在设计寿命周期内不会发生疲劳破坏。

从焊缝材料疲劳寿命预测模型和管道应力分析可知,通常管道所承受的名义应力较低,焊缝的疲劳寿命受焊趾的应力集中影响较大。因此精确测量和估算焊趾应力集中是十分重要的。

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(修改回稿日期 2010-03-25 编辑 何 明)

国家“十一五”科技支撑计划课题(编号:2008BAB30B03)。

张华,1977年生,工程师,硕士;主要从事油气输送管道的安全评价和风险评估工作。地址:(710065)陕西省西安市电子二路32号。电话:(029)88726204。E-mail:zhangh@tgrc.o rg