高壓油氣輸送管道疲勞壽命預測研究

馬秋榮，金作良，郭志梅，李 洋，張 毅

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710065；2.中國石油集團管道建設項目經理部，北京 100101；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 資陽鋼管廠，四川 資陽641300）

0 前 言

在油氣輸送管道的服役過程中，疲勞斷裂是管道的失效模式之一。管線在服役過程中承受著各種交變應力的作用，該交變應力一方面來自管道內部輸送介質壓力的波動，另一方面來自管道外部的變動載荷，如陸上車輛引起的振動、穿越河流的沖刷、凍土帶的消融以及沙漠中流沙的遷移等。各種因素產生的交變應力，將使管道在應力集中處產生局部的、交變的塑性變形，從而導致管線疲勞破壞[1-2]。此外，在高寒、滑坡、地震等惡劣地質條件下建設長距離、高壓、大流量油氣輸送管道，管線的服役條件會更加惡化，在彎曲、軸向拉伸及壓縮載荷作用下，管道局部往往會發生嚴重的塑性變形而產生屈曲，但斷裂往往不是一次完成的，此時低周疲勞斷裂將成為管道斷裂的主要形式之一。

因此，對管線的疲勞行為，尤其是低周疲勞進行研究，可為嚴酷服役條件下管線的壽命預測、設計和選材提供理論依據，具有重大的工程意義。

1 試驗材料及方法

分別選取X60和X80兩種鋼級輸送焊管進行疲勞裂紋擴展速率測試分析。試驗鋼管的化學成分和拉伸性能見表1和表2。

表1 試驗鋼管的化學成分 %

表2 試驗鋼管的拉伸性能

疲勞裂紋擴展試驗采用緊湊拉伸試樣[3]，試樣厚度B分別為7.5 mm，9 mm和10 mm，寬度W=50 mm，缺口長度為12.5 mm，試樣如圖1所示。試驗依據標準GB/T 6398—2000在AMSLER高頻疲勞試驗機上進行，其中預制疲勞裂紋長度為2 mm，加載正弦波，頻率f=80～100 Hz，應力比R＝0.1，裂紋長度采用直流電位法檢測系統進行測試。

圖1 疲勞裂紋擴展試驗試樣

2 疲勞裂紋擴展速率

通常疲勞裂紋擴展速率da/dN采用Paris公式描述，即da/dN=C（ΔK）m，其中C，m為材料常數。

圖2為X80-1管線鋼的da/dN－ΔK曲線。在雙對數坐標下，對試驗數據進行線性擬合，可得參數C和m，表3是da/dN－ΔK回歸數據。

圖2 X80-1管線鋼管da/dN－ΔK曲線

表3 da/dN－ΔK回歸數據（應力比R=0.1）

疲勞裂紋擴展速率是指構件應力循環一次時疲勞裂紋擴展的長度，它反映了構件疲勞性能的好壞[4]。疲勞裂紋擴展速率越高，疲勞壽命就越短，疲勞性能差；反之，疲勞壽命就長，疲勞性能好。4種不同管線鋼管da/dN－ΔK曲線如圖3所示。從圖3可知，X60-2的疲勞裂紋擴展速率最高，說明與其他3種管線鋼管相比，疲勞性能最差，抵抗疲勞裂紋擴展的能力更低，而其他3種管線鋼管相比具有更好的疲勞性能。金相分析表明，X60-2鋼管母材存在明顯的帶狀組織，而其余3種材料金相組織較為均勻，可見組織的均勻性對疲勞裂紋擴展的影響更加明顯。

圖3 4種管線鋼管da/dN－ΔK曲線對比

為了比較應力比對疲勞裂紋擴展的影響，測試了X60-1鋼管在應力比R=0.6時的da/dN值（編號為X60-1R）。X60-1R鋼管在應力比R=0.6時的疲勞裂紋擴展速率的表達式為da/dN=8.17×10-10（ΔK）3.79。

圖4為X60-1鋼管在應力比R分別為0.1和0.6時的da/dN－ΔK曲線，本試驗采用的是拉－拉等幅加載，可見，隨著應力比的增大，裂紋擴展速率增大。

圖4 應力比對管線鋼管da/dN－ΔK曲線的影響

3 含裂紋缺陷鋼管疲勞壽命預測

油氣管道在輸送過程中，由于壓力波動和間歇輸送，有發生疲勞損傷，甚至疲勞破壞的危險。根據輸送鋼管的疲勞性能，結合鋼管材料的理化性能，在對管道進行安全評價的基礎上，可以對管道進行壽命預測評估，提高管道疲勞破壞的預見性，避免發生惡性事故[5-6]。

對于承受內壓的鋼管，其環向應力是軸向應力的2倍，因而對于輸送管線，軸向裂紋承受的應力更高，危險性也更大[7-8]。筆者以軸向外表面裂紋為例，計算X80級φ1 219 mm×22.0 mm直縫埋弧焊管的疲勞壽命。本次計算主要考慮管線服役過程中停機檢修以及管線事故引起的停輸對鋼管壽命的影響，加載應力比為0.1，原始裂紋缺陷a0=3 mm，2c=30 mm，裂紋擴展速率采用試驗測得的 da/dN=2.640 9×10-10（ΔK）3.8868公式計算，m=3.886 8，C=2.640 9×10-10。若輸送壓力為12 MPa，根據管材性能計算的臨界裂紋尺寸為ac=11.48 mm。

采用Paris公式

其中ΔK為裂紋尖端疲勞載荷下的應力強度因子變化范圍。根據Zahoor等[9]的研究結果，對于承受內壓的壓力容器和管道，當含有軸向外表面半橢圓形裂紋時，裂紋尖端應力強度因子的表達式為

式中：K1—裂紋尖端應力強度；

F—裂紋尖端應力強度因子，F=1.12+

0.053α+0.005 5α2+（1+0.02α+0.019 1α2）·

（20-R/t）2/1 400， α=（a/t）/（a/2c）；a—裂紋深度，mm；

2c—裂紋長度，mm；

Q—鼓脹系數， Q=（1+1.16（a2/Rt））1/2;

p—管線內壓，MPa；R—鋼管半徑，mm；

t—鋼管壁厚，mm。

對式（1）求積分得

分離變量積分得

將a0=3 mm，ac=11.48 mm等參數帶入式（5），可求得在停輸工況下，管道循環次數為908次，按每月停輸一次計算，管線的疲勞壽命為76年（見表4）。需要說明的是，在本計算過程中只是單純考慮了裂紋尺寸和停輸工況對疲勞壽命的影響。實際管線中影響因素要復雜得多，諸如地層移動、環境溫度變化、過載、地形起伏附加的彎矩以及焊縫的殘余應力等，對管道中裂紋的疲勞擴展都有較大的促進作用[10]。因此，對管道的實際疲勞壽命有必要考慮一定的安全裕度，若本管道按30年疲勞壽命設計的話，安全裕度為2.53。

表4 含裂紋管線疲勞壽命計算結果

4 結 論

（1）編號為X60-2的鋼管疲勞裂紋擴展速率最高，其他3種鋼管疲勞裂紋擴展速率基本相當。X60-2鋼管母材存在明顯的帶狀組織，是導致其疲勞性能差、抗疲勞裂紋擴展能力低的主要原因。

（2）對于原始裂紋缺陷a0=3 mm，2c=30 mm的X80級φ1 219 mm×22.0 mm直縫埋弧焊管，在停輸工況條件下管道循環次數為908次，按每月停輸一次計算，在模擬的單一工況下，管線的疲勞壽命為76年。

［1］潘家華.油氣管道斷裂力學分析［M］.北京：石油工業出版社，1989：108-133.

［2］LEVIN S I.Causes and Frequency of Failures on Gas Mains in the USSR［J］.Pipes and Pipelines International，1993，91（30）： 149-176.

［3］GB/T 6398—1986，金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法［S］.

［4］ZHENG Xiulin.A Further Study on Fatigue Crack Initiation Life-mechanical Model for Fatigue Crack Initiation ［J］.International Journal Fatigue，1986，8（01）：17-21.

［5］MA Qiurong，HUO Chunyong.Comparison and Analysis on Specification of X80 Line Pipe for 2nd West-east Gas Transmission Pipeline Project ［C］∥Proceedings of the 8th International Pipeline Conference，Calgary，Alberta：［s.n.］，2010.

［6］馬秋榮，張騰，李鶴.不同厚度國產X100高鋼級管線鋼的斷裂韌性試驗［J］.機械工程材料，2013（03）：69-72.

［7］YANG Zhuanzhao，MA Qiurong，LI Jike.Low Temperature Toughness of X80 Grade HSAW Pipe［C］∥石油管工程重點實驗室科研成果匯編（2008年）.北京：石油工業出版社，2009.

［8］高建忠，馬秋榮，王長安，等.國產X80管線鋼的應變時效行為及預防措施［J］.機械工程材料，2010（01）：63-65.

［9］ZAHOORA.ClosedFormExpressionforFractureMechanics Analysis of Crack Pipes［J］.Journal of Pressure Vessel Technologe，1985，107（05）：203-205.

［10］羅金恒，楊鋒平，馬秋榮，等.新建大落差管道試壓排水爆管原因分析［J］.油氣儲運，2011（06）：34-37.