[发明专利]一种输气管道腐蚀疲劳裂纹扩展趋势的分形维数表征方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种输气管道腐蚀疲劳裂纹扩展趋势的分形维数表征方法。具体涉及L360输气管道腐蚀疲劳扩展裂纹的低频噪声分形维数表征方法。该方法首先测量腐蚀疲劳前后管道裂纹的低频噪声数据并计算其分形维数值，然后，根据计算所得的分形维数变化，反映出油气管道疲劳裂纹的扩展趋势。

背景技术

我国能源储藏在地域上分布不均衡。西部地区的塔里木盆地、柴达木盆地、陕甘宁和四川盆地蕴藏着26万亿立方米的天然气资源和丰富的石油资源，约占全国陆上天然气资源87％。由于我国经济的高速发展，尤其是东部发达地区对石油天然气等能源的需求不断攀升。大量的能源需要从西部地区输送到东部。管道输送是石油天然气运输的主要方式。近年来，随着我国天然气需求的不断增加，高压、大直径输送和数字化管理是当前天然气管道建设的发展趋势。然而，天然气中含有一定量的H₂S(如大港油田H₂S含量1.4％，内蒙长庆气田1.5％)，H₂S不但具有毒性，还具有强烈的腐蚀性。含有H₂S的酸性气体的天然气在输送过程中会对管道产生腐蚀。尤其是新建管道，管道打压试验时遗留的水较多，水的存在会加速H₂S酸性气体的腐蚀。国内外因腐蚀加速管道疲劳损伤直至破坏的现象时有发生，研究管道腐蚀疲劳对于管道的正常运行和安全生产具有一定的现实意义。

一般认为，疲劳损伤在管件内逐渐积累,达到某一临界值时,形成初始疲劳裂纹。然后，初始疲劳裂纹在循环应力及环境的共同作用下不断张开和闭合，逐渐扩展、增大，即发生亚临界扩展。当裂纹长度达到其临界裂纹长度时，难以承受外加载荷,裂纹发生快速扩展,以至断裂。可以看出，这种管件失效是一种渐进积累式的破坏过程，并且不可逆转。对于天然气传输管道来说，一旦出现裂纹而发生管道泄露，这将给油气田带来难以估计的经济损失。所以预测管道的寿命，避免带病管道超期服役是当前管道研究的一个重点方向。

国内外关于疲劳裂纹扩展寿命预测方法的研究很多，目前在工程中应用最为广泛的方法依然是1963年由Paris和Erdogan在实验基础上提出的疲劳裂纹扩展公式，也就是著名的Paris公式。它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系，是当今工程应用中预测疲劳裂纹扩展寿命的理论基础。Paris公式形式为：

式(1)中，a是裂纹长度，N为疲劳次数，ΔK为应力强度因子变化辐度，C和m为与材料有关的常数，可由实验数据拟合得到。但随着研究的深入，人们发现Paris公式的通用性较好,但也有一定的缺陷,因为其材料常数C、m会随应力比等参数的变化而变化。还有一些环境因素如温度、湿度、介质、加载频率的影响也会使材料常数C、m有些许变化。所以在实际试验中很少发现C和m是恒定不变的。在H₂S腐蚀环境中，裂纹扩展速率会被加速，也会影响到预测结果。由于Paris公式假设过于简单，影响因素较多，因此，从该方法中提取参数具有一定的不确定性，无法对疲劳裂纹的扩展信息进行准确分析。

噪声，是自然界中存在的一种随机涨落现象。1/f噪声是低频噪声的一种，它的功率谱s(f)与1/f^a成正比，a一般在1附近。噪声一直以来都容易被人们所忽视，但低频噪声中包含了许多重要的信息。研究表明：当材料内部缺陷(如位错，裂隙)严重时，低频1/f噪声占主导地位。它的涨落信息与材料的缺陷有很大关联。由于低频1/f噪声也属于分形噪声的一类，分形维数D与a存在如下关系：

a＝5-2D(2)

因此研究分形维数的变化可以预见材料内部的缺陷变化。由于管道裂纹本身就是一种材料缺陷，通过低频1/f噪声的测量，计算它的分形维数，可以判断裂纹的扩展程度。

常规的Pairs表征方法要在疲劳试验机上进行破坏性的疲劳试验，由此测量疲劳裂纹的扩展。为了得到可靠的结果，Paris方法需要大量的样品进行长时间的测量，非常耗时耗力。前面也提到，由于环境的影响，其测得的一些参数值具有一定的不确定性。采集管道低频噪声并计算噪声分形维数的方法是一种敏感的无损检测方法。该方法具有检测速率快，对样品本身无破坏的优点。并且在疲劳裂纹扩展的过程中，从裂纹的萌生，扩展，直至断裂，这些内部缺陷的形成和变化信息都与裂纹低频噪声的分形维数有着关联。我们可以通过数据采集卡采集出噪声信号，并计算出其分形维数，由分形维数的变化可以反映出疲劳裂纹的扩展趋势。

发明内容