CN111859616A - 一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，通过断裂阻力测试获得待测天然气管道的裂纹扩展阻力曲线，通过拉伸性能测试获得待测天然气管道的屈服强度和抗拉强度，根据待测天然气管道裂纹扩展阻力曲线、阻力曲线的参数、屈服强度和抗拉强度计算材料断裂韧性的参数，建立裂尖张开位移关系，得到在固定内压作用时不同裂纹深度下的裂尖张开位移，从裂纹扩展驱动力和阻力的竞争关系进而确定管道失效时裂纹的临界尺寸，从管道失效的裂纹生长上反映了整个服役的过程，在计算过程中考虑了管道的材料裂纹扩展阻力，计算过程更为准确，本方法所需的试验都属于常规试验，易于开展进行，处理过程简单方便，节约时间和经济成本。
Description
技术领域
本发明涉及天然气管道危害评估领域，具体涉及一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法。
背景技术
天然气管道在服役过程中，由于地质灾害、腐蚀介质、人为因素、质量问题等引起管道可能出现断裂、变形、失效、腐蚀等现象，从而造成管道材料的金属的不断缺失(管道裂纹生长)，具有严重的隐患。
在管道存在缺陷时，在一定条件下，管道会在裂纹处发生失稳扩展，从而引发管道断裂。如何准确计算管道裂纹失稳时临界尺寸、估算管道服役寿命是研究管道安全服役行为的关键问题。
工程上通常使用剩余壁厚和失效评估图的方法来评估管道安全。剩余壁厚法通过计算含缺陷管材在内压下的环向应力与管材抗拉强度进行比较，从而确定缺陷的临界尺寸。失效评估图法是一种力学方法，通过建立临界应力强度因子与裂纹尺寸的关系，从而评估管道服役行为。上述方法不考虑裂纹的生长过程以及材料的韧性表征，也没有经过试验验证，因此计算结果误差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，包括以下步骤：
步骤1)、取待测天然气管道环向材料进行断裂阻力测试，获得待测天然气管道的裂纹扩展阻力曲线；
步骤2)、取待测天然气管道环向材料开展拉伸性能测试，获得待测天然气管道的屈服强度和抗拉强度；
步骤3)、根据待测天然气管道裂纹扩展阻力曲线、阻力曲线的参数、屈服强度和抗拉强度计算材料断裂韧性的参数；
步骤4)、在材料线弹性下计算裂尖张开位移：
对材料线弹性下计算裂尖张开位移进行线性修正，得到裂尖张开位移为
步骤5)、根据材料断裂韧性的参数和裂尖张开位移计算在固定内压作用时，不同裂纹深度下的裂尖张开位移；
步骤6)、将不同深度下的裂尖张开位移对应的裂纹深度减去初始裂纹深度，并进行二次多项式拟合则可得到固定压力作用时，裂纹的张开位移与裂纹扩展量的裂纹扩展驱动力曲线；
步骤7)、将裂纹驱动力曲线与裂纹扩展阻力曲线在同一坐标下进行对比分析，两曲线的焦点所对应的裂纹扩展量则为裂纹失稳扩展的临界尺寸；
步骤8)、根据管道临界尺寸和腐蚀速率，则可计算得到管道的实际使用寿命。
进一步的，进行断裂阻力测试时单边缺口拉伸试验，缺陷深度a0/W＝0.5，a0为所开缺陷深度，W为单边缺口试验高度。
进一步的，裂纹扩展阻力曲线为y＝k1*x^k2，x为裂纹扩展量，k1和k2均常数，k1和k2根据断裂阻力测试获得。
进一步的，采用裂尖J积分表示材料断裂韧性的参数，
σys为流变应力，σ为环向应力，M为应力比，Ms为膨胀因子，E为弹性模量。
进一步的，其中，
a为裂纹深度，c为钢管裂纹长度一半。
进一步的，环向应力为
P为钢管内压，D为钢管外径，t为钢管壁厚。
进一步的，初始裂纹深度为0.5倍的壁厚。
进一步的，裂纹扩展量为裂纹实际深度减去原始裂纹深度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，通过断裂阻力测试，获得待测天然气管道的裂纹扩展阻力曲线，通过拉伸性能测试，获得待测天然气管道的屈服强度和抗拉强度，根据待测天然气管道裂纹扩展阻力曲线、阻力曲线的参数、屈服强度和抗拉强度计算材料断裂韧性的参数，建立裂尖张开位移关系，从而得到在固定内压作用时不同裂纹深度下的裂尖张开位移，从裂纹扩展驱动力和阻力的竞争关系进而确定管道失效时裂纹的临界尺寸，从管道失效的裂纹生长上反映了整个服役的过程，在计算过程中考虑了管道的材料裂纹扩展阻力，计算过程更为准确、更容易理解。本方法所需的试验都属于常规试验，易于开展进行，处理过程简单方便，节约时间和经济成本。
附图说明
图1为管道表面裂纹示意图；
图2为在12MPa压力下裂纹扩展的驱动力曲线；
图3为在12MPa压力下裂纹扩展驱动力曲线与裂纹扩展阻力曲线的对比；
图4为在50MPa压力下裂纹扩展驱动力曲线与裂纹扩展阻力曲线的对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种评估高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命的方法，包括以下步骤：
步骤1)、取待测天然气管道环向材料进行断裂阻力测试，获得待测天然气管道的裂纹扩展阻力曲线，根据断裂阻力测试获得裂纹扩展阻力曲线的参数k1和k2(k1和k2均常数)，设y为裂尖张开位移量，x为裂纹扩展量，拟合得到裂纹扩展阻力曲线为y＝k1*x^k2；
其中，进行断裂阻力测试时采用单边缺口拉伸试验，缺陷深度a0/W＝0.5，a0为所开缺陷深度，W为单边缺口试验高度；
步骤2)、取待测天然气管道环向材料开展拉伸性能测试，获得待测天然气管道的屈服强度和抗拉强度；
步骤3)、根据待测天然气管道裂纹扩展阻力曲线、阻力曲线的参数、屈服强度和抗拉强度计算材料断裂韧性的参数，具体的，采用裂尖J积分表示材料断裂韧性的参数，
其中，钢管裂纹长度为2c，裂纹深度为a，钢管壁厚为t，钢管外径为D，钢管内压为P，屈服强度为σ0.，抗拉强度为σb，弹性模量为E，环向应力为
流变应力为σys，应力比可表示为
膨胀因子可表示为
裂尖J积分表示材料断裂韧性的参数，抵抗裂纹生长扩展能力，数值越大，抵抗能力越强；
步骤4)、在材料线弹性下裂尖张开位移可表示为
在材料塑性阶段，这一关系发生变化，需要对其进行线性修正，在弹塑性阶段，裂尖张开位移为
步骤5)、根据步骤3)和步骤4)的结果可计算在固定内压作用时，不同裂纹深度下的裂尖张开位移；
步骤6)、将不同深度下的裂尖张开位移对应的裂纹深度减去初始裂纹深度，初始裂纹深度为0.5倍的壁厚，并进行二次多项式拟合y＝ax2+bx+c，则可得到固定压力作用时，裂纹的张开位移y与裂纹扩展量的裂纹扩展驱动力曲线；裂纹扩展量为裂纹实际深度a-原始裂纹深度a0；
步骤7)、将裂纹驱动力曲线与裂纹扩展阻力曲线在同一坐标下进行对比分析，两曲线的焦点所对应的裂纹扩展量则为裂纹失稳扩展的临界尺寸；
步骤8)、根据管道的腐蚀速率(每年管道壁厚减薄量)，则可计算得到管道的实际使用寿命，管道的腐蚀速率由材料本身性质决定，为常数。
实施例，取不锈钢管(0Cr18Ni10Ti)的外径D＝168mm，壁厚t＝16mm，管道裂纹如图1所示；取样，并进行单边缺口拉伸试验(缺陷尺寸a/W＝0.5)，获得阻力曲线y＝1.34195*x^(0.35238)。通过对该材料完成拉伸试验获得屈服强度为450MPa，抗拉强度为780MPa，弹性模量为209GPa，假定管道内压为12MPa，根据公式
可计算出环向应力为63MPa。根据步骤3)、步骤4)可计算出在12MPa内压下，裂纹深度为8mm、10mm、12mm时的裂尖张开位移分别为0.0013mm、0.0027mm、0.0073mm。根据步骤6)可绘制出裂纹扩展驱动力曲线，如图2所示。根据3中步骤7)将裂纹驱动力曲线与裂纹扩展阻力曲线在同一坐标下进行对比分析，可绘制图3。可以看出裂纹扩展阻力始终大于裂纹扩展驱动力，因此在此条件下即使腐蚀引起的管道金属缺失导致裂纹贯穿了钢管壁厚，也不会发生裂纹的失稳扩展。假设管道的腐蚀速率为0.4mm/年，管道则可使用40年。当内压为50MPa时，裂纹深度为8mm、10mm、12mm时的裂尖张开位移分别为0.1655mm、0.3868mm、0.768mm，将裂纹驱动力曲线与裂纹扩展阻力曲线(图4)在同一坐标下进行对比分析，可以发现，当裂纹扩展量为10.5mm时为临界失稳条件。设管道的腐蚀速率为0.4mm/年，管道则可使用26.25年。
Claims (8)
1.一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、取待测天然气管道环向材料进行断裂阻力测试，获得待测天然气管道的裂纹扩展阻力曲线；
步骤2)、取待测天然气管道环向材料开展拉伸性能测试，获得待测天然气管道的屈服强度和抗拉强度；
步骤3)、根据待测天然气管道裂纹扩展阻力曲线、阻力曲线的参数、屈服强度和抗拉强度计算材料断裂韧性的参数；
步骤4)、在材料线弹性下计算裂尖张开位移：
对材料线弹性下计算裂尖张开位移进行线性修正，得到裂尖张开位移为
步骤5)、根据材料断裂韧性的参数和裂尖张开位移计算在固定内压作用时，不同裂纹深度下的裂尖张开位移；
步骤6)、将不同深度下的裂尖张开位移对应的裂纹深度减去初始裂纹深度，并进行二次多项式拟合则可得到固定压力作用时，裂纹的张开位移与裂纹扩展量的裂纹扩展驱动力曲线；
步骤7)、将裂纹驱动力曲线与裂纹扩展阻力曲线在同一坐标下进行对比分析，两曲线的焦点所对应的裂纹扩展量则为裂纹失稳扩展的临界尺寸；
步骤8)、根据管道临界尺寸和腐蚀速率，则可计算得到管道的实际使用寿命。
2.根据权利要求1所述的一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，其特征在于，进行断裂阻力测试时单边缺口拉伸试验，缺陷深度a0/W＝0.5，a0为所开缺陷深度，W为单边缺口试验高度。
3.根据权利要求1所述的一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，其特征在于，裂纹扩展阻力曲线为y＝k1*x^k2，x为裂纹扩展量，k1和k2均常数，k1和k2根据断裂阻力测试获得。
4.根据权利要求1所述的一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，其特征在于，采用裂尖J积分表示材料断裂韧性的参数，
σys为流变应力，σ为环向应力，M为应力比，Ms为膨胀因子，E为弹性模量。
5.根据权利要求4所述的一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，其特征在于，其中，
a为裂纹深度，c为钢管裂纹长度一半。
6.根据权利要求5所述的一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，其特征在于，环向应力为
P为钢管内压，D为钢管外径，t为钢管壁厚。
7.根据权利要求1所述的一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，其特征在于，初始裂纹深度为0.5倍的壁厚。
8.根据权利要求1所述的一种高压天然气管道断裂临界尺寸及使用寿命评估方法，其特征在于，裂纹扩展量为裂纹实际深度减去原始裂纹深度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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