天然气长输管道疲劳可靠寿命预测分析

沈佳园

(浙江浙能天然气运行有限公司，浙江 杭州，310000)

天然气长输管道疲劳可靠寿命预测分析

沈佳园

(浙江浙能天然气运行有限公司，浙江 杭州，310000)

对天然气长输管道疲劳可靠寿命预测进行研究，有利于确保天然气长输管道的安全运营。介绍了天然气长输管道疲劳可靠寿命的理论计算公式；基于ADINA软件深入分析了天然气长输管道的流固耦合模型；进行了天然气长输管道疲劳可靠寿命有限元分析，提供的计算方法和结果可为天然气长输管道的设计及安全运营提供参考。

天然气；长输管道；疲劳可靠寿命；预测

我国天然气长输管道经过多年的发展，目前已经遍布全国各地，具有多用户和多气源的特点。由于各个输气管段的建设时间不一，气源变化不同，其承压能力也存在着差异，使天然气长输管道内压力波动情况较为频繁[1]。天然气长输管道在反复交变载荷作用下，很容易出现疲劳损伤，进而导致长输管道出现疲劳破坏，造成重大损失；因此，对天然气长输管道疲劳可靠寿命预测进行研究，有利于确保天然气长输管道的安全运营。

1 天然气长输管道疲劳可靠寿命的理论计算

1.1 疲劳寿命估算

在恒定不变的载荷情况下,疲劳寿命估算常常采用Paris公式：

疲劳寿命Nc为：

1.2 疲劳可靠度R计算

2 基于ADINA软件的天然气长输管道的流固耦合分析

天然气长输管道中存在着大量的弯管，而弯管是天然气长输管道中最为薄弱的环节之一。对弯管在压力波动下的疲劳寿命和动态响应进行分析，对于弯管设计乃至整个天然气长输管道的安全运营都具有重要指导意义。以某输气站的一段弯管为例进行分析，其尺寸如图1所示。

图1 弯管尺寸示意图

在结构模型中，管材为X70管线钢，屈服极限为560 MPa，泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa，密度为7 850 kg/m。建模方式采用Parasolid方式，模型中含有4 640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 管道有限元模型

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15 m/s的初始流速从管道左端进入，动力粘度为1.107×10-6Pa·s，且将压力载荷添加在天然气上。流体模型选择层流低速可压缩流体，采用18 851个3D Fluid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。在流体模型中导入图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2.98 MPa(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

图4 某管线输气管道全天峰值应力的动态响应曲线

图5 弯管有效应力云图

由气体运动产生的压力云图如图6所示。从图6可知，出口处压力最小，进口处压力最大，但是最大压力也只为2.61×104Pa，相比管道输气压力本身的波动(量级为MPa)可以忽略不计；所以，天然气长输管道在输气过程中，其主要的工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云图

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20.89 m/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云图

3 天然气长输管道疲劳可靠寿命有限元分析

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：第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[2-3]。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选择最合适的疲劳分析方法。

3.1 X70管线钢疲劳寿命曲线

借助于JB 4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》，通过X70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：SmN=C。

表1 X70管线钢疲劳寿命

拟合表1中的数据，得到参数C=5.558×103，m=0.310 2 。

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1 240次，而直管位置的疲劳寿命为1020次。

图8 典型载荷谱作用下弯管疲劳寿命云图

此外，由雨流计数法得到的不同均值、不同幅值下的载荷循环，若载荷均值和载荷幅值过小，那么不会损伤到结构；若载荷均值一定，那么载荷幅值越大，所造成的疲劳损伤就越大；若载荷幅值一定，那么载荷均值越大，所造成的疲劳损伤就越大。由此可见，将天然气长输管道的输气压力减小或者将其控制在较小的波动范围内，都能够有效地延长输气管道的使用寿命。

4 结语

1)利用ADINA软件建立起天然气长输管道的流固耦合模型，对弯管在压力波动下的疲劳寿命和动态响应进行分析，分析结果表明，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。

2)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，这充分说明流场会受到弯管结构较为明显的影响。

3)将天然气长输管道的输气压力减小或者将其控制在较小的波动范围内，能够有效地延长输气管道的使用寿命。

[1] Xu T,Lauridsen B,Bai Y. Wave-induced fatigue of multi-span pipelines[J].Marine Structures,1999,20(12):83-106.

[2] 金伟良,付勇,赵冬岩,等.具有裂纹损伤的海底管道断裂及疲劳评估[J].海洋工程,2005,23(3):7-16.

[3] 刘永和.腐蚀海底管道剩余强度的可靠性模型及评估研究[J].新技术新工艺，2013(4)：111-113.

责任编辑彭光宇

《新技术新工艺》杂志投稿须知

《新技术新工艺》杂志于1981年创刊，是中国兵器工业新技术推广研究所主办的工业技术类期刊，曾荣获中国兵器工业集团公司优秀科技期刊一等奖，国家新闻出版总署“双效期刊”，并被以下检索系统收录：中国科技核心期刊(中国科技论文统计源期刊)、中国核心期刊(遴选)数据库、万方数字—数字化期刊群、中文科技期刊数据库、中国期刊网、中国学术期刊综合评价数据库、中国学术期刊(光盘版)。

为加强学术交流，促进制造业的发展，热忱欢迎高等院校的科技工作者和企业技术人员踊跃投稿。

1．论文内容范围

机械制造与切削、高效加工工艺与装备、制造业信息化、焊接与切割技术、刀具材料及工艺装备、旋压技术、节能产品及技术、减排环保技术、热加工及表面处理技术、检测技术与设备应用、设备故障分析与诊断、设备维修改造与更新方面的新技术、新设备、新材料、新工艺。

2．投稿要求

1)投稿邮箱为：ntnp@263.net。

2)投稿应具有合法性，保证不存在剽窃、抄袭、侵权等不良行为，并且不涉及泄密问题。来稿文责自负，请勿一稿多投。

3.论文的写作符合有关国家标准和规范

目前我刊参照的国家标准有：

GB 3100-1993 国际单位制及其应用

GB 3101-1993 有关量、单位和符号的一般规则

GB 3102.1～13-1993 量和单位

GB/T 7714-2005 文后参考文献著录规则

GB/T 15834-1995 标点符号用法

GB/T 15835-1995 出版物上数字用法的规定

4．论文写作要求及格式

1)摘要选用小5号字，正文选用5号字，单倍行距。

2)格式包括：题目(不多于20个字)；署名；作者单位(包括二级单位)，所在省市及邮编；摘要；关键词；中图分类号，文献标志码；英文题目、署名、单位、摘要、关键词；正文；参考文献；基金项目名称及编号；第一作者简介(姓名(出生年-)，性别，职务职称，研究方向)。

3)摘要以300字为宜，应含有研究的问题、过程和方法、结果和结论。摘要是独立成篇的二次文献，采用第三人称撰写，不使用“本文”、“作者”等作为主语。

4)关键词的遴选要有益于读者通过搜索引擎查找，数量为(3～5个)，关键词应为三级学科名称。中图分类号1～2个(参见《中国图书馆分类法(第四版)》一书)。

5)插图、表格力求精简、大小适当。插图线条均匀，主辅线要分明；表格尽量用三线表。

6)量和单位符号等年代和年、月、日一律用阿拉伯数字表示；采用中华人民共和国法定计量单位和符号；外文字母必须分清正斜体、大小写、黑白体和上下角标的位置和层次，对于容易混淆的字母，可注明文种；量符号、代表变动性数字的字母及坐标符号一律用斜体，单位的符号一律用正体。

7)作者撰写的文稿后应有必要的参考文献，参考文献应按其在正文中被引用的顺序依次列出(在正文中引用处务必用“[序号]”标注)，列出的参考文献应是重要的、近期的、已正式发表的文献资料。

5.杂志社联系方式

北京市海淀区车道沟10号院科技1号楼804室

电话：010-68962167-801 传真：010-68963663

NaturalGasPipelineReliableFatigueLifePredictionAnalysis

SHEN Jiayuan

(Zhejiang Energy Natural Gas Running Ltd.， Hangzhou 310000，China)

Reliable long distance gas pipeline fatigue life prediction research, can help ensure safe operation of long distance gas pipelines. This paper introduces the theory of natural gas pipeline reliable fatigue life calculation formula, and secondly, based on ADINA-depth analysis fluid-structure coupling model of long distance gas pipeline is analyzed, also conducted a long-distance gas pipeline fatigue life and reliable finite element analysis that provides the calculation methods and results which can provide a reference for the design and safe operation of the gas transmission pipeline.

natural gas，pipeline，fatigue reliable life，prediction

TE 973

：A

沈佳园(1973-)，男，工程师，主要从事天然气管道管理方面的研究。

2014-12-15