输油管道环焊缝缺陷疲劳寿命评估

沙胜义

(中国石油管道公司，河北廊坊 065000)

摘要：采用管道失效评估方法可评估静载荷作用下缺陷是否满足适用要求。但在内压等交变载荷作用下，输油管道环焊缝仍存在疲劳破坏的可能。为评估管道环焊缝缺陷的疲劳寿命，进行管道母材和环焊缝疲劳裂纹扩展速率试验，并分析和统计管道实际运行压力数据以及环焊缝缺陷开挖验证数据,采用BS7910标准方法计算疲劳寿命值。结果显示在仅考虑管道内压波动情况下，管道环焊缝平面型缺陷的疲劳寿命结果满足管道设计使用要求。

关键词：输油管道；环焊缝缺陷；无损检测；疲劳寿命

0 引言

交变应力会使管道内部或表面的缺陷发生扩展，最终造成管道的疲劳断裂。因此，对于压力波动较大的管道，按照双判据失效评估图[1-2]等适用性评估方法评定为可接受的缺陷，也有可能在交变载荷作用下发生疲劳扩展，最终导致开裂事故。尤其是海底管道[3-4]、穿越河流管道[5]在水流等载荷的作用下容易发生共振，管道缺陷发生扩展进而产生疲劳破坏，带来严重的损失。目前，管道疲劳研究主要集中于管道材料疲劳裂纹扩展规律、全尺寸管道疲劳试验及管道缺陷疲劳安全评定与寿命预测方法[6-10]等方面。

影响疲劳评估结果的因素主要包括缺陷初始尺寸、裂纹扩展速率以及管道压力。本文对某管道实际运行压力数据以及环焊缝缺陷开挖验证数据进行统计分析，对比该管道母材和环焊缝疲劳裂纹扩展速率试验结果，并对环焊缝平面型缺陷进行疲劳寿命评估，为管道维修维护以及生产运行提供建议，保障管道安全运营。

1 环焊缝疲劳裂纹扩展速率试验

材料的疲劳裂纹扩展速率可采用标准参考值，但与实际材料的性能存在偏差。取实际输油管道的环焊缝和母材进行疲劳裂纹扩展速率试验。试验管材等级为X65，环焊缝焊接方式为半自动焊接。取管道母材和环焊缝样本，根据GB6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率的试验方法》及GB9447-88《焊接接头疲劳裂纹扩展速率实验方法》制备测试试样。试样为标准C(T)试样。其中模拟裂纹位于环焊缝中心的C(T)试样3个，模拟裂纹位于母材的C(T)试样3个。图1为加工好的母材及环焊缝标准C(T)试样。图2分别为测试结束后的母材及环焊缝试样。

(a)母材

(b)环焊缝
图1 母材及环焊缝标准C(T)试样

(a)测试后的母材试样

(b)测试后的环焊缝试样
图2 测试后的母材和环焊缝试样

图3为根据实验结果得到的母材试样

-ΔK曲线，曲线一致性较好。

图3 母材试样

-ΔK曲线

将Paris公式

=C(ΔK)n两边取对数可得lg(

)=lgC+nlg(ΔK)，然后将处理后的数据作图通过线性拟合即可得到C及n的值，3个母材试样的C和n值见表1。

图4为根据实验结果得到的环焊缝样品

-ΔK曲线。分别将

及ΔK取对数作图，3个环焊缝试样的C和n值见表1。

图4 环焊缝试样

-ΔK曲线

分别将母材和环焊缝3个测试样所得数据作为一个整体来拟合，拟合得到的C和n值见表1。

表1 疲劳裂纹扩展速率实验结果汇总

试样Paris常数Cn试样11.321×10-123.477试样27.698×10-133.604母材试样31.099×10-123.474综合1.082×10-123.505试样19.120×10-133.550试样44.069×10-144.069环焊缝试样51.585×10-123.199综合3.070×10-123.025

图5为根据母材及环焊缝实验结果所得C及n做的

-ΔK函数曲线，在应力强度因子较小时，实际测试曲线与拟合曲线拟合较好，在应力强度因子较高时拟合曲线与实验曲线略有偏差，但整体拟合较好，焊缝的裂纹扩展速率较母材低。环焊缝的疲劳裂纹扩展速率低于母材与裂纹闭合现象有关。对焊接接头C(T)试样而言,环焊缝长度上两端的横向焊接残余应力为压应力, 而且最大残余压应力处于紧靠裂纹顶端处。该压应力正好作用在从C(T)试样一端扩展的疲劳裂纹, 引起裂纹闭合, 所以环焊缝的疲劳裂纹扩展速率低于母材。

图5 母材及环焊缝试样实验数据及拟合函数曲线

2 疲劳寿命评估

输油管道的交变载荷主要有两方面：一方面是由于内压变化而引起的应力变化。一般情况下，管道的输送压力变化不大，一般波动范围为15%～20%。如采用间歇输送或正反输的方式，或管道在维修情况下都会产生较大的应力变化。另一方面是由于外压变化而引起的应力变化。例如穿越公路或铁路的管道在车辆通过时也会产生压力的变化。

疲劳评估时统计的压力数据应包含自投产至评价时管道运行的所有数据，包括站间管道的出站压力及进站压力，如图6所示。根据管道进、出站压力以及缺陷处高程信息，可计算各处环焊缝缺陷位置的压力值。对于变幅载荷，应当用循环计数法(例如雨流计数法[11-12])将应力时间历程转换为应力范围和循环次数，即用应力在分布范围内的发生次数表示应力谱，也可假定每个循环都承受该区间内的最大应力。

该管段环焊缝缺陷开挖验证过程中，通过无损检测发现22处超标平面型缺陷,缺陷类型包括未焊透、根部未熔合、内咬边。表2为缺陷具体信息。

表2 开挖验证平面型缺陷尺寸

序号缺陷类型时钟方位深度比深度/mm长度/mm壁厚/mmKmatac/mmNN1根部未熔合11:000.0921.3069014.22175.22.9324517712未焊透7:150.1441.8001912.52550.14.7860397443未焊透2:45～4:450.0691.10439016.02435.32.8330941834内咬边5:00～7:000.1402.24051016.02435.32.8220164265未焊透3:00～4:000.1632.60817316.02435.32.895069046未焊透4:00～4:300.1692.70410116.02435.32.976064217未焊透6:30～7:000.2253.1958214.22489.9 不可接受8未焊透6:00～6:150.4366.1912914.22489.9 不可接受9内咬边7:00～8:000.1001.60018616.02435.32.88705086710内咬边11:00～12:000.1001.60013516.02435.32.92705223811内咬边4:300.1001.6004616.02435.33.24206278612根部未熔合5:500.3104.9604116.02435.3 不可接受13根部未熔合5:30～6:000.2603.69210014.22489.9 不可接受14未焊透6:00～7:000.2393.3946814.22489.9 不可接受15根部未熔合6:000.1482.1022514.22489.93.84663546816根部未熔合0:000.1832.5998014.22489.92.9626602017根部未熔合11:00～12:000.1191.69015014.22489.93.02043242918根部未熔合11:00～12:000.2123.0106614.22489.9 不可接受19未焊透5:30～6:000.1802.2504612.52550.13.08601075820根部未熔合5:000.2162.7004212.52550.13.1410479721根部未熔合4:00～4:150.1361.7002912.52550.13.48302874022未焊透8:000.1802.2504412.52550.13.112011114

图6 管道出站和进站压力曲线

环焊缝材料的断裂韧性Kmat按照最小冲击功35 J转换。当裂纹在循环压力作用下，应力强度因子变化值达到阈值时，裂纹发生疲劳扩展。当缺陷的应力强度因子KIC达到材料的断裂韧性Kmat时，认为该裂纹达到疲劳寿命的限值。裂纹扩展速率参数C和n取试验环焊缝试样测量值。按照BS7910标准方法对22处平面型缺陷进行失效评估，结果显示6处缺陷为不可接受,对其余16处缺陷进行疲劳寿命评估。表2为22处平面型缺陷评价及寿命评估结果。其中ac为缺陷临界深度值，NN为缺陷可承受的最小循环次数。图7为环焊缝缺陷失效评估结果。

图7 环焊缝缺陷失效评估结果

疲劳评估结果显示缺陷可承受的最小循环次数为4 797次，按照管道每年承受最大应力的循环次数为18次计算疲劳寿命，最小疲劳寿命为266.5 a，满足管道设计使用年限要求。

3 结论

计算内压波动对管道环焊缝平面型缺陷的疲劳寿命影响，结果显示疲劳寿命均满足管道设计使用要求。仅考虑内压波动对管道的疲劳寿命影响是很小的，但对于间歇输送的管道，压力范围和循环次数有明显的增加，相应的疲劳寿命也会有明显的降低。而对于输送温度变化频繁的管道，以及位于冻胀融沉或悬空等特殊地段的管段，需要考虑热应力和附加载荷变化对疲劳寿命的影响。

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Fatigue Life Assessment on Girth Weld Defects of Petroleum Transmission Pipeline

SHA Sheng-yi

(PetroChina Pipeline Company, Langfang 065000, China)

Abstract:The method for pipeline failure evaluation was used to assess defects whether meet the applicable requirements under the static load. But the girth weld of petroleum transmission pipeline still exists the possibility of fatigue damage under fluctuating load，such as internal pressure. In order to assess the fatigue life of girth weld defects, fatigue crack growth rate tests for base material and pipeline girth weld fatigue crack were conducted, and the fatigue life was calculated adopting standard method BS7910 based on actual operation pressure and girth weld defect excavation validation data by analysis and statistics. The results show that piping girth welds planar defects fatigue life results meet the operating requirement of pipeline design under the condition of only considering the pipe inner pressure fluctuations.

Keywords:petroleum transmission pipeline；girth weld defect；nondestructive testing； fatigue life

收稿日期：2016-07-11

中图分类号：TE88

文献标识码：A

文章编号：1004-9614(2017)02-0028-04

作者简介：沙胜义(1985—)，硕士研究生，从事长输油气管道完整性管理工作。E-mail:[e-mail]