跨接管熱循環(huán)疲勞損傷分析方法

劉剛，孫國(guó)民，楊琥，馮現(xiàn)洪，余志兵

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

1 概述

本文總結(jié)了跨接管發(fā)生在位熱循環(huán)疲勞的計(jì)算分析方法，對(duì)分析中一些假設(shè)原則與簡(jiǎn)化方法做了具體描述，最后通過典型算例對(duì)比分析、簡(jiǎn)化流程進(jìn)行介紹。該方法以“M”型結(jié)構(gòu)跨接管在位熱循環(huán)疲勞分析為主題，并給出熱循環(huán)引起跨接管疲勞損傷評(píng)估的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)操作參數(shù)變化引起管道疲勞進(jìn)行疲勞損傷評(píng)估基于Miner準(zhǔn)則，采用以下規(guī)范進(jìn)行分析：

DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems,2005.

DNV-RP-C203 Fatigue Design of Offshore Steel Structures,2010.

本文附錄A中給出算例對(duì)“M”型跨接管在位熱循環(huán)疲勞分析過程并進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 適用范圍

本方法僅針對(duì)結(jié)構(gòu)型式為“M”型跨接管在各種熱循環(huán)事件中進(jìn)行疲勞損傷進(jìn)行分析，疲勞損傷的分析基于Miner準(zhǔn)則。

對(duì)熱循環(huán)工況的簡(jiǎn)化為兩個(gè)極限狀態(tài)，而忽略其過程中管道內(nèi)壓、溫度、熱膨脹位移等參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響。

考慮到跨接管在荷載作用下受到彎曲、扭轉(zhuǎn)及剪切等影響下，管道截面各徑向位置不同的應(yīng)力，分析模型中采用三維管單元進(jìn)行定義。

管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力幅值僅考慮軸向應(yīng)力。

由于組裝節(jié)點(diǎn)的不確定性，疲勞分析中對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均考慮焊接應(yīng)力集中影響。

不考慮平均應(yīng)力對(duì)累積疲勞損傷的影響。

熱循環(huán)疲勞壽命僅作為判斷跨接管疲勞壽命的一項(xiàng)指標(biāo)，設(shè)計(jì)者需綜合考慮安裝狀態(tài)、渦激振動(dòng)等疲勞損傷等來源。本方法中所涉及“M”型結(jié)構(gòu)跨接管熱循環(huán)疲勞分析原理可應(yīng)用于其它類型的剛性跨接管。

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 設(shè)計(jì)流程

本方法給出的跨接管在位熱循環(huán)疲勞分析設(shè)計(jì)方法。即通過有限元分析法對(duì)跨接管正常操作工況與非正常操作工況下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得到循環(huán)過程中的應(yīng)力幅值，基于Miner準(zhǔn)則對(duì)各熱循環(huán)工況下計(jì)算的疲勞損傷率進(jìn)行累計(jì)。參照DNV-OS-F101中安全等級(jí)對(duì)應(yīng)的許用疲勞損傷率要求，判斷疲勞壽命是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1給出了適用于一般情況下跨接管熱循環(huán)疲勞分析設(shè)計(jì)流程，可結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行具體實(shí)施。

圖1 跨接管熱循環(huán)疲勞分析流程圖

根據(jù)在位強(qiáng)度與在位疲勞分析得到的鋼管壁厚、等級(jí)結(jié)果與幾何形狀布置，建立整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，也可利用前期完成的在位強(qiáng)度有限元模型進(jìn)行修改。

正常操作工況的管節(jié)點(diǎn)軸向應(yīng)力結(jié)果通常定義為循環(huán)過程中的應(yīng)力幅上限值，非正常工況一般為應(yīng)力幅下限值。

熱循環(huán)事件的年發(fā)生頻率通常根據(jù)油田生產(chǎn)、維護(hù)信息以及油田配產(chǎn)情況預(yù)計(jì)或指定。

對(duì)于S-N曲線，可根據(jù)指定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、可接受的斷裂力學(xué)理論或DNV-RP-C203第二章給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。

在位熱循環(huán)疲勞損傷值為所有熱循環(huán)事件的年疲勞損傷率累計(jì)值，疲勞壽命需根據(jù)項(xiàng)目選取設(shè)計(jì)規(guī)范中指定的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算、校核。

2.2 接受標(biāo)準(zhǔn)

本分析方法中疲勞校核標(biāo)準(zhǔn)基于D N VOS-F101第五章D709所述，詳見式1：

式中：Dfat＝Miner累計(jì)疲勞損傷率；n＝應(yīng)力循環(huán)年發(fā)生次數(shù)；N＝至失效所經(jīng)歷的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)；αfat＝許用疲勞損傷率。

許用疲勞損傷率αfat可參考表1（除選用標(biāo)準(zhǔn)提供比表1更為嚴(yán)格的要求外），其對(duì)應(yīng)安全等級(jí)定義詳見DNV-OS-F101第二章C400。

表1 許用疲勞損傷率

2.3 應(yīng)力集中系數(shù)

焊接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)在跨接管在位熱循環(huán)疲勞分析中考慮，本分析方法中給出一種管道對(duì)接焊應(yīng)力集中系數(shù)的確定方法，該焊接應(yīng)力集中系數(shù)基于DNV-RP-C203，并進(jìn)行了保守的考慮，詳見圖2：

圖2 管道對(duì)接焊示意圖

式中：δm＝最大不對(duì)中寬度，m；T＝焊接管道最大壁厚，m；t＝焊接管道最小壁厚，m；

D＝鋼管外徑，m；L＝焊縫蓋帽寬度，m。

2.4 S-N曲線

應(yīng)力范圍S處出現(xiàn)疲勞時(shí)的循環(huán)數(shù)由S-N曲線定義，公式如下：

圖3 管道節(jié)點(diǎn)S-N曲線示意圖

對(duì)于設(shè)計(jì)中的S-N曲線可根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)，參照DNV-RP-C203進(jìn)行選取。

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 循環(huán)荷載的應(yīng)力幅值

熱循環(huán)過程中跨接管的應(yīng)力在本分析方法中僅考慮軸向力影響。分析中出于保守及合理性考慮，對(duì)跨接管在每個(gè)循環(huán)過程中最大與最小軸向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。影響管道軸向力變化的參數(shù)主要包括內(nèi)壓、溫度以及PLET端部管道膨脹位移。圖31中左圖為一跨接管典型啟動(dòng)/關(guān)斷過程中溫度、內(nèi)壓的變化過程，考慮到以上參數(shù)對(duì)跨接管軸向力影響趨勢(shì)的一致性，可將過程簡(jiǎn)化為右圖的兩點(diǎn)形式，因此可將這些參數(shù)的上限與下限值作為對(duì)應(yīng)最大與最小軸向應(yīng)力的計(jì)算工況，從而忽略過程中各個(gè)階段。

在分別提取各節(jié)點(diǎn)在高溫/高壓與低溫/低壓工況的軸向應(yīng)力值sL_HPHT與sL_LPLT后，可得到熱循環(huán)的應(yīng)力幅值Sc：

圖4 熱循環(huán)過程簡(jiǎn)化原理圖

3.2 熱循環(huán)應(yīng)力分析模型

跨接管循環(huán)應(yīng)力分析的結(jié)構(gòu)模型可參考其強(qiáng)度分析模型，由于跨接管在荷載作用下受到彎曲、扭轉(zhuǎn)及剪切等影響，在管道截面徑向不同角度的位置將產(chǎn)生不同的軸向力，因此應(yīng)考慮在管單元截面定義多個(gè)參考點(diǎn)，并提取每個(gè)節(jié)點(diǎn)在各位置軸向力結(jié)果，以避免使用二維管單元造成的計(jì)算結(jié)果過于保守。

3.3 設(shè)計(jì)工況

熱循環(huán)疲勞分析包括跨接管運(yùn)行過程中所有預(yù)計(jì)的非正常操作事件，這些事件通常作為循環(huán)過程中的低溫/低壓工況用于計(jì)算應(yīng)力變化下限值，表2給出了一組典型工況定義與分析中計(jì)算循環(huán)上、下限軸向力的輸入?yún)?shù)：

表2 熱循環(huán)疲勞分析典型工況定義與輸入?yún)?shù)

此外參照敏感性分析中定義的跨接管尺寸范圍對(duì)最大與最小水平投影長(zhǎng)度布置模型，分別進(jìn)行熱循環(huán)應(yīng)力幅的計(jì)算，選取最大值用于疲勞損傷分析。

4 操作流程

本方法給出的計(jì)算流程基于通用有限元軟件“ANSYS”的APDL環(huán)境?；贏NSYS平臺(tái)分析程序包括以下3個(gè)“*.ans”文件，其內(nèi)容描述見表3。

表3 APDL分析程序模塊簡(jiǎn)介

對(duì)于分析結(jié)果的疲勞壽命計(jì)算由自編“跨接管在位疲勞分析軟件”完成。

分析具體操作流程如下：

步驟1-輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

通過整理的跨接管軸向應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參照“M_input.ans”格式編寫。

步驟2-運(yùn)行參數(shù)化程序

將表3 中編輯完成的“*.a n s”文件（全部）放入“A N S Y S”工作文件夾，通過“ANSYS”APDL界面運(yùn)行“M_lsc.ans”。

步驟3-生成結(jié)果文件

參數(shù)化程序運(yùn)行后，將自動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)軸向力結(jié)果文件“SAXL_I.dat”與“SAXL_J.dat”。

步驟4-完成各熱循環(huán)工況跨接管在位疲勞壽命的校核。

（1）打開“跨接管在位疲勞分析軟件”，讀入步驟三中生成的全部結(jié)果。需要讀入的結(jié)果文件共4個(gè)，包括低溫低壓工況以及高溫高壓工況下管單元i、j節(jié)點(diǎn)上的軸向應(yīng)力。為區(qū)分LPLT與HPHT兩種工況，將不同工況結(jié)果文件分別存放在2個(gè)文件夾中。當(dāng)彈出第一個(gè)讀入文件對(duì)話框時(shí)選擇LPLT工況文件夾，讀入對(duì)應(yīng)的2個(gè)LPLT工況結(jié)果文件，之后再次彈出對(duì)話框時(shí)選擇HPHT工況文件夾，讀入對(duì)應(yīng)的2個(gè)HPHT工況結(jié)果文件。

（2）在軟件界面中輸入跨接管、應(yīng)力集中系數(shù)、疲勞壽命安全系數(shù)及預(yù)計(jì)每年壓力變化循環(huán)次數(shù)后，進(jìn)行計(jì)算。

（3）檢查計(jì)算結(jié)果，并打印輸出。

結(jié)束。

附錄A “M”型跨接管熱循環(huán)在位疲勞分析算例

設(shè)計(jì)參數(shù)與工況定義：示例“M”型跨接管設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)如表1：

表1 基礎(chǔ)參數(shù)

算例中預(yù)計(jì)發(fā)生的熱循環(huán)事件以及各工況溫度、內(nèi)壓與位移荷載參數(shù)見表2：

表2 工況定義與輸入?yún)?shù)

A-1 建立M型跨接管結(jié)構(gòu)模型

此示例僅列出不同工況下“M_input.ans”中輸入?yún)?shù)的變化項(xiàng)。參數(shù)輸入選取ANSYS “mks”單位系統(tǒng)。

……

Growth = 1.2 ！管道膨脹位移

Pressure = 2.2e+7 ！設(shè)計(jì)壓力與外壓差值

deltaT = 81.3 ！設(shè)計(jì)最高溫度對(duì)安裝溫度差值

……

Lstart = 35 ！跨接管初始水平投影長(zhǎng)度

……

A.2 運(yùn)算求解

運(yùn)行“M_lsc.ans”文件，詳細(xì)參考第4節(jié)步驟2、3，得到分析結(jié)果包括“SAXL_I.dat”與“SAXL_J.dat”

A.3 疲勞壽命校核

使用“跨接管在位疲勞分析軟件”進(jìn)行疲勞壽命校核。打開分析軟件并按照第4章操作流程中介紹的步驟4讀入全部結(jié)果文件；輸入應(yīng)力集中系數(shù)、疲勞壽命安全系數(shù)及預(yù)計(jì)每年壓力變化循環(huán)次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，熱循環(huán)事件引發(fā)的累計(jì)疲勞壽命計(jì)算結(jié)果如表3所示：

表3 熱循環(huán)疲勞分析結(jié)果

圖A-1 APDL文件讀取操作示意圖

◆參考文獻(xiàn)

[1] DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems,2005.

[2] DNV-RP-C203 Fatigue Design of Offshore Steel Structures,2010.