天然气长输管道疲劳可靠寿命预测分析

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1、万方数据万方数据新技术新工艺2015年第6期在结构模型中，管材为X70管线钢，屈服极限为560MPa，泊松比为0．3，弹性模量为210GPa，密度为7850kg／m。建模方式采用Parasolid方式，模型中含有4640个3D—Solid单元(8节点)。材料定义为线弹性模型，约束条件为管道两端固定约束。管道有限元模型如图2所示，管道流固耦合边界用黑色部分表示，B表示约束条件。图2管道有限J1；模型在流体模型中，不考虑动态响应受温度变化的影响。模型中天然气以15m／s的初始流速从管道左端进入，动力粘度为1．107×106Pa·S，且将压力载荷添加在天然气上。

2、流体模型选择层流低速可压缩流体，采用18851个3DFluid单元(4节点)。流体模型中的压力载荷是较为典型的压力波动数据，输气管道压力的时间历程曲线如图3所示。在流体模型中导人图3中的输气管道压力时间历程曲线，然后进行流固耦合计算，则可以得到该管线在全天内真实的动态响应。管道峰值应力的动态响应曲线如图4所示。在输气过程中，该管线的峰值应力总是处于弯管内壁曲率最大处。输气压力为2．98MPa(初始时刻)时，该管线的等效应力云图如图5所示。图3某管线输气管道压力时间历程曲线硝乱羔器毯翌鹭图4某管线输气管道全天峰值应力的动态响应曲线图5弯管有效应力五图由气体运

3、动产生的压力云图如图6所示。从图6可知，m口处压力最小，进口处压力最大，但是最大压力也只为2．61×101Pa，相比管道输气压力本身的波动(鼍级为MPa)可以忽略不计；所以，天然气长输管道在输气过程中，其主要的T作应力是来自于管道的压力波动。图6气体运动引起的压力五图弯管引起天然气流速的变化如图7所示。天然气长输管道中心气体流速在流固耦合界面气体流速为0时最大，这种现象可解释为流体的黏性。同时，在流经弯管时，气体的流速会变大，最高速度可达20．89m／s，这充分说明流场会受到弯管结构较为明显的影响。图7流体沿轴线剖面的速度五图3天然气长输管道疲劳可靠寿命有

4、限元分析MSC．Fatigue是一种基于有限元计算结果的疲劳寿命分析软件。通常会有2种疲劳寿命分析方法：笫1种是全寿命法，又称为SW方法和名义应力法，在疲劳设计中由Palmgren—Miner线性疲劳累积损伤法则和SW曲线进行寿命估算，能够得到天然气长输管道的疲劳总寿命；第2种是局部应变寿丽《新技术新工艺》质量与检测万方数据质量检测命法(ETV方法)，裂纹扩展寿命基于断裂力学理论来进行估算，裂纹形成寿命基于局部应力应变法来进行估算，两者之和为总寿命心_3]。疲劳分析通常包括获得材料疲劳性能、采集典型载荷时间历程和数据分析、结构有限元分析，然后再基于不同情况

5、选择最合适的疲劳分析方法。3．1X70管线钢疲劳寿命曲线借助于JB4732—1995《钢制压力容器一分析设计标准》，通过XTO管线钢的抗拉强度，插值可得X70管线钢的疲劳寿命(见表1)。基于疲劳理论来看，疲劳循环次数与应力幅在双对数坐标系中通常呈线性关系。采用双对数线性关系的幂函数形式，即：S”N—C。表1X70管线钢疲劳寿命应力／MPa疲劳循环次数应力／MPa疲劳循环次数3591103345×10a2606202771×1041783502262×10413381001745×10’1019200l531×1067125001332×1055601×10

6、31145×1034362X103105l×106拟合表1中的数据，得到参数C一5．558×103，m一0．3102。3．2疲劳载荷的处理和弯管全寿命分析为使进行疲劳寿命分析的疲劳载荷有可重复性和代表性，初始压力载荷可选取某天然气长输管道在1个月内的压力波动数据。通过流固耦合的方法对这1个月弯管的应力响应进行计算，将其作为疲劳寿命分析的典型载荷时间历程。通过疲劳载荷时间历程的功率谱发现，载荷变化属于典型的低频波动，故疲劳载荷分析可用计数法。所获得的疲劳载荷利用雨流计数法来进行处理，这样能够得到不同均值、不同幅值载荷的等效循环周次。该管线1个月总的等效循环周

7、次为67。利用MSC．Fatigue软件的材料数据库管理器PEMAT，将X70管线钢S—N曲线输入到中心材料数据库，并行平均应力修正。修正方法采用Goodman法，弯管的疲劳寿命云图如图8所示。天然气长输管道的疲劳寿命不是均匀分布的，最小疲劳寿命出现在曲率最大的位置，这是由于在输气过程中，天然气长输管道的峰值应力出现在弯管内壁曲率最大处，进而会造成该处最小疲劳寿命。在相同载荷作用下，曲率最大弯管处的疲劳寿命为1240次，而直管位置的疲劳寿命为1020次。Default-FringeMaxl00+020aNd1‘Minl24+003aNd7081图8典型载荷

8、谱作用下弯管疲劳寿命五图下的载荷循环，若载荷均值和载荷幅值过小，那