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    含缺陷油气管道剩余疲劳寿命的预测

    2019-05-09   来源:   点击数:0次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港记者昨日获悉:由于硫酸装置中的管道直径很大,管道的径向膨胀量不容忽视,尤其对于弹簧支吊架的选型影响很大,因此每个支承点必须做一个从管中心到管外壁带温度的刚性元件,使管架实际支承在管外壁。硫酸装置中的大直径管道均采用短半径焊制虾米弯和未补强的焊制三通,其应力集中系数分别达到12和8左右,这些都是管道中的危险点,在应力分析中应引起足够的重视,对于部分应力集中很严重的分支点处可加设补强圈。
      
      存在问题及建议3.1考虑摩擦力的问题有关规定中规定钢对钢的滑动摩擦系数f= 0.3实际上为极端静摩擦系数,那么动摩擦系数取多少。是否可以把摩擦推力看作瞬时载荷,当考虑正常载荷加摩擦载荷时,设备许用推力和力矩是否可以增加,增加百分之几,钢对钢的滑动摩擦系数全部按0.3考虑是否合适,目前对这些问题的看法不统一,希望CAESAR用户协作网组织各方专家会同COADE公司讨论此问题,给出一个明确的规定。
      
      对所采用的含缺陷管道疲劳寿命预测方法的计算结果做了实验验证,结果表明,含缺陷管道的疲劳寿命数值计算结果与实物试验结果基本吻合,采用Paris公式以及Zahoor等提出的管道表面裂纹尖端应力强度因子表达式进行油气输送管道的疲劳寿命计算分析是可行的。由分析和计算得知,含表面裂纹缺陷钢管疲劳加载周期为1465次,考虑安全裕度,其剩余疲劳寿命约为20a含外表面裂纹疲劳扩展过程分为疲劳裂纹稳定扩展和疲劳裂纹快速失稳扩展两个阶段,前者的扩展周期较长,后者的扩展周期相对较短。
      
      主题词输油管道输气管道表面裂纹疲劳寿命疲劳试验油气输送管的疲劳断裂往往是由管线中的各种交变应力引起的。这些交变应力有些来自于管内输送压力的波动和气体介质的分层结构,也有些来自于管线外部的变动载荷,如埋地管线上车辆引起的振动、沼泽地管线浮力的波动、沙漠管线流沙的迁移、穿越管段埋深不够形成的悬空段在水的冲击下产生的卡曼振动等。这些因素均会产生交变应力,使钢管内部和表面的缺陷发生扩展,最终造成管道的疲劳断裂。由于疲劳断裂往往是突然发生的,没有预先征兆,因而具有较大的危险性,尤其对于天然气高压长输管线,其危害性更是显而易见。
      
      中国钢管信息港记者昨日获悉:通过理论分析计算和实物试验相结合,笔者研究了含缺陷输送管在承受内压疲劳载荷下表面裂纹的扩展规律,预测了其疲劳寿命,最后通过含表面裂纹钢管实物疲劳试验对计算结果进行了验证。
      
      研究方案针对油气输送管壁薄、口径大的特点,采用Zahooi的用于薄壁管的K表达式,根据Paris公式对钢管的疲劳裂纹扩展规律进行了研究,并对其疲劳裂纹扩展周期做了计算分析。Paris公式的表达式为C,n材料试验常数。
      
      本研究采用的是国产X60SSAW钢管,规格为5660爪爪8.7爪爪。钢管母材%=540MPa;焊缝b=582MPa为了消除端部效应对试验结果的影响,取样管长度为7m.对于承受内压p的管道,环向应力和轴向应力分别为由潘勇琨工程师,生于1971年,1993年毕业于西北工业大学材料科学与工程学院,2000年毕业于清华大学机械工程系,获工学硕士学位u现从事质量安全与环境保护检验监督工作u地址:(100029)北京市朝阳区电话:(010)0.003m,裂纹表面长度2c =0.05m.疲劳试验前先小载荷加载预制裂纹,随后加大载荷进行疲劳试验。加载应力比R=0.1,以模拟实际管线中停输以及发生断裂事故时管道内的输送压力波动。最大载荷选取钢管母材屈服强度的72%约为7 5MPa最小载荷取0.75MPa.在此试验条件下,全尺寸疲劳试验系统疲劳加载频率为150/h.油气输送管疲劳寿命分析Newman的研究结果表明,对于表面裂纹的疲劳扩展过程,Paris公式也是适用的。不同的是沿裂纹长度方向和深度方向分别采用裂纹演化方程进行计算。预测管道的疲劳寿命就是要计算钢管在疲劳内压加载下由初始裂纹《0扩展到临界裂纹ac时的周期。采用与样管相同材料进行小尺寸疲劳裂纹扩展试验结果为由于实验室试验结果是穿透裂纹沿轴向的扩展速率,当用于表面裂纹沿深度方向的扩展时,应进行修正,修正系数为CB=Ca(0.9)=1.32,其中Ca、CB分别为表面裂纹沿深度和长度方向的扩展系数。这样钢管外表面半椭圆裂纹沿管径向扩展速率方程修正为根据Zahoor等的研究结果,对于承受内压p的压力容器和管道,当含有轴向外表面半椭圆裂纹时,裂纹尖端应力强度因子表达式为由可得在疲劳载荷作用下裂纹尖端应力强度因子变化幅值AK表达式为计算中只考虑了停输及管线失效(泄漏或爆裂)等情况下的压力波动(即应力比R =0.1)对管线疲劳寿命的影响,对于管线中频繁发生的小的压力波动(R0. 8)则没有考虑。此外,对于钢管残余应力、环境温度以及腐蚀等各种情况的影响都没有进行分析。因而实际管线的疲劳寿命应保留一定的裕度,取安全系数为2笔者研究的钢管实际剩余寿命约为20a.疲劳试验结果分析与验证1.表面裂纹形态的疲劳扩展演化规律材料的疲劳裂纹扩展过程实际上就是在循环载荷作用下裂纹尖端塑性区累积损伤的过程,通过裂纹尖端塑性区与疲劳损伤区的相互演化和运动,使得疲劳裂纹不断扩展直至失效。
      
      表面裂纹根据其形状因子(a/c)大小不同可以分为不同的类型。笔者取预制裂纹形状因子a/c<1,2c/心12裂纹类型为浅表面长裂纹。从试验后疲劳断口宏观形貌可见,疲劳试验过程中疲劳裂纹沿长度方向基本上没有发生扩展,而沿深度方向则扩展较快,直至泄漏失效。
      
      表面裂纹的显著特点是裂纹前沿是不规则的,且裂纹前沿各点处的扩展速率各不相同。一般情况下,裂纹前沿最深点处裂纹扩展速率最高,其它地方则各不相同。裂纹前沿各点扩展速率的差异,又使得裂纹扩展过程中的形状也具有不确定性。在ASMEXI以及BSIPD6493标准中规定,表面裂纹扩展前沿按近似半椭圆形状对待。这种方法在工程实际中是适用的,但存在一定的保守性。Newman和Lin分别米用双自由度法和多自由度法对不同形状因子的表面裂纹前沿扩展规律进行了研究,结果表明,在疲劳裂纹贯穿以前,表面裂纹形9-丽与管径、壁厚有关的材料常数―酿油状1般用半半椭圆来描述。在本试验中如裂纹基本上沿深度方向扩展,直至裂纹最深点达到管体内表面,形成贯穿裂纹。
      
      2疲劳裂纹扩展速率研究本次实物疲劳试验一共进行了约50h,其间预制疲劳加载周期约5200次,最后在预制裂纹处裂纹萌生。随后加大疲劳载荷,萌生裂纹经过缓慢扩展、稳定扩展以及失稳扩展阶段后扩展至内表面,并形成穿透裂纹,导致该处发生泄漏,并伴随有压力降低现象,于是停止试验。疲劳扩展及失稳过程加载周期约1620次,而计算结果为1465次,偏于保守。这是由于油气输送用钢管基本上是薄壁大口径,裂纹尖端主要是平面应力状态,而采用式(5)计算钢管裂纹尖端应力强度因子时,裂纹尖端的平面应力状态将使计算结果偏于保守 。
      
      中国钢管信息港记者昨日获悉:实物试验测得的裂纹扩展曲线裂纹稳定扩展期较长,裂纹快速扩展期相对较短。裂纹稳定扩展阶段疲劳裂纹扩展速率方程为da/dN=3.22X1010(Ak)284(9)对于含裂纹类缺陷的钢管,在管线运行过程中承受内压波动后,裂纹缺陷不经过疲劳裂纹萌生阶段,直接进入裂纹的稳定扩展阶段和快速失稳扩展阶段。如果在裂纹发生快速失稳扩展以前不能够检测到裂纹的存在,则服役管线将发生断裂失效事故。
      
      为了试验研究的方便,试验中,只考虑了裂纹尺寸大小对钢管疲劳裂纹扩展寿命的影响。然而实际管线中对疲劳扩展寿命的影响因素要复杂得多,其中诸如焊接残余应力、环境温度变化、地层移动以及土壤和输送介质的腐蚀等,对管道中裂纹的疲劳扩展都有一定的促进作用,这些问题有待于继续深入研究。
      
      结论由计算和分析得出,含表面裂纹缺陷钢管疲劳加载周期为1465次,考虑一定的安全裕度后,其剩余疲劳寿命约为20a.含裂纹缺陷钢管疲劳寿命的理论计算与实物试验结果基本吻合,故可以通过小尺寸疲劳试验来预测分析实际管线的疲劳寿命。
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