管线钢疲劳性能及海底管道涡激振动疲劳寿命预测研究

• 作 者: 范玉然
• 机 构: 北京科技大学
• 出 处: 北京科技大学
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 涡激振动 疲劳寿命 迟滞效应 海底管道

海底管道是海上油气生产系统中的一个重要组成部分，是海上油气田的生命线。它的安全与否将直接影响海上油气生产。无论是埋设于海底还是裸置于海床上，海底管道都有可能由于波浪和潮流的作用被冲刷而形成悬跨。而悬跨管道一旦发生涡激振动，很容易由于共振产生的大的周期性位移和应力而发生疲劳破坏。因此，有必要针对管线钢的疲劳性能以及海底管道涡激振动的疲劳寿命预测模型进行仔细研究。
由于海底管道发生涡激振动时所受到的载荷比较复杂，其载荷谱中大小载荷块的加载顺序往往是随机的。考虑到变幅疲劳中加载顺序可能对疲劳寿命有重要影响，本文首先通过试验对X52管线钢在不同加载顺序下的变幅疲劳行为进行了研究。实验结果表明，在超载比为1.3的条件下裂纹扩展速率降低了一个数量级，证明X52钢有迟滞效应存在。从断面的SEM图片可以看到迟滞半径内的断口处存在大量的二次裂纹，二次裂纹的出现吸收了裂纹扩展过程中的部分能量，使得裂纹扩展速率下降，同样表明了迟滞效应的确实存在。根据公式(da/dN)。-C[U(△K-△Kth)]2，可以得出超载比为1.3时裂纹扩展的迟滞系数U=0.2755。
由于管道壁厚的限制，有些管线钢材料无法通过标准实验方法测得其断裂韧性参数。本文还研究了利用管线钢的冲击韧性估算断裂韧性的方法，给出了X52钢的冲击韧性与断裂韧性之间关系。同时API579标准中给出的关系进行了修正。
本文通过使用ABAQUS有限元软件对管跨长度、管道惯性矩、涡流力及管道轴向力对管道动力相应的影响进行了分析，并且计算得到了不同条件下的管道动力响应。分析表明：悬跨管道的响应位移与管道长度L的关系为G3(L)=aL·LbL/c+LbL，响应位移与惯性矩的关系为G1(I)=aI·x-bI，管道的位移与涡流力的呈线性关系，管道的响应位移随管道轴向拉力和管道内压的增大而减小。最终得出管道中点响应位移的关系式为y=G1(I)·G2(F)·G3(L)·G4(T)，并使用MATLAB软件给出了悬跨管道的共振频率及引起共振的海流速度的可视化计算程序。