天然气管道的疲劳可靠寿命计算

    工业生产中的各种压力管道,担负着气相、液相介质的输送任务。压力管道由于制造、安装中的各种原因,焊缝中往往会含有许多裂纹及缺陷。这些裂纹以及可以简化为裂纹处理的平面缺陷(未熔合、咬边、未焊透等),严重地影响着压力管道的正常使用及工作寿命。

    由于压力管道中介质的压力波动,导致管道工作应力的变化,在交变应力作用下,裂纹有可能产生扩展,因此计算含裂纹压力管道的疲劳寿命有重要的工程意义。某维尼纶厂乙炔车间的天然气管道,在检修过程中通过X射线对焊缝进行探伤时,发现焊缝中存在多处裂纹,其中以纵焊缝上的纵向内表面裂纹对管道的危害最大。文章利用断裂力学方法来计算天然气管道的疲劳寿命,这对管道的使用与维修十分重要。天然气管道尺寸为315mm×8mm,材料为20 g钢,工作温度为常温,天然气经过脱硫处理后,硫化氢(H2S)含量很低,因此计算中不考虑蠕变和应力腐蚀。

    1　基本公式

    利用断裂力学方法计算表面裂纹尖端的应力强度因子,以及裂纹在亚临界阶段扩展过程中的疲劳寿命。

    1.1　疲劳裂纹扩展公式

    裂纹在交变应力作用下的扩展速度,与构件中的应力、裂纹尺寸、材料性能等因素有关。疲劳裂纹扩展速度的表达式有多种形式,其中Paris提出的公式简洁、与实验吻合较好,在工程中应用广泛。Paris公式如下[1]

式中为裂纹扩展速度,ΔK=Kmax-Kmin为裂纹尖端应力强度因子幅度,A和m为材料常数,可由试验确定。

   采用20 g钢管的焊板来制作紧凑拉伸CT试件,在常温、大气环境下,应力比R= 0.1,按照GB6398 -86《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》,由实验测得了20 g钢焊缝的裂纹扩展速率

式中的单位为mm/cycle,ΔK的单位为MPamm。

    1.2　表面裂纹应力强度因子

    天然气管道内表面焊缝上的纵向表面裂纹可简化为长为2c,深度为a的半椭圆形裂纹(图1)。工作应力为环向应力,因此在交变应力作用下,纵向表面裂纹最危险。

    表面裂纹尖端任一点的应力强度因子可按下式计算[2]

式中a为裂纹深度,θ为裂纹尖端上的点所处的角度,σ为管道环向工作应力,F为形状因子,为第2类完全椭圆积分,计算式为

式中t为管道壁厚,c为裂纹半长。

    天然气管道中气体压力变化幅度Δp引起的环向工作应力变化幅度为

式中Di=D-2t,为管道内径。

    用Paris公式计算疲劳寿命时,裂纹尖端应力强度因子应取最大值。表面裂纹短半轴端点即θ=π2处,应力强度因子最大,由式(3)、式(6)可得应力强度因子变化幅度