[论文解读] Analytic prognostic for petrochemical pipelines

Abdo Abou Jaoudé, Seifedine Kadry+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2012

Non-Destructive Testing Techniques参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对炼油化工管道的解析预测模型，聚焦于压力波动和腐蚀环境下的裂纹扩展，采用线弹性断裂力学预测剩余使用寿命。该方法可实现早期故障风险检测与预测，显著提高系统可靠性并降低运行成本，仅针对裂纹扩展的张开模式（I型）进行分析。

ABSTRACT

Pipelines tubes are part of vital mechanical systems largely used in petrochemical industries. They serve to transport natural gases or liquids. They are cylindrical tubes and are submitted to the risks of corrosion due to high PH concentrations of the transported liquids in addition to fatigue cracks due to the alternation of pressure-depression of gas along the time, initiating therefore in the tubes body micro-cracks that can propagate abruptly to lead to failure. The development of the prognostic process for such systems increases largely their performance and their availability, as well decreases the global cost of their missions. Therefore, this paper deals with a new prognostic approach to improve the performance of these pipelines. Only the first mode of crack, that is, the opening mode, is considered.

研究动机与目标

• 开发一种针对承受循环压力和腐蚀性流体作用的炼油化工管道裂纹扩展的预测模型。
• 通过早期故障预测提高系统可靠性并降低运行成本。
• 仅聚焦于I型（张开模式）裂纹扩展，这是管道系统中最关键的失效模式。
• 提供一种无需依赖经验数据或复杂模拟的解析物理驱动型预测方法。

提出的方法

• 该模型应用线弹性断裂力学（LEFM）分析循环压力载荷下的应力强度因子。
• 采用Paris定律描述裂纹扩展速率与应力强度范围的关系。
• 该方法结合材料性能、几何参数和运行压力循环，估算裂纹随时间的演化。
• 通过积分从初始裂纹尺寸到临界尺寸的裂纹扩展过程计算剩余使用寿命（RUL）。
• 模型假设材料为各向同性、均匀体，并采用理想化的裂纹几何形状以保证解析可解性。
• 仅考虑I型（张开模式）裂纹扩展，从而简化断裂力学公式化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在循环压力和腐蚀条件下，对炼油化工管道中的裂纹扩展进行解析预测？
• RQ2 在运行压力循环作用下，具有初始表面裂纹的管道其剩余使用寿命是多少？
• RQ3 在圆柱形管道中，应力强度因子如何随裂纹尺寸和压力波动变化？
• RQ4 是否可借助解析模型在无需大量模拟或数据的情况下提供可靠的预测估计？
• RQ5 影响张开模式下裂纹扩展速率的关键参数有哪些？

主要发现

• 该解析模型成功利用基于LEFM和Paris定律的闭式解预测裂纹扩展过程。
• 当已知初始裂纹尺寸和材料性能时，可高精度估算管道的剩余使用寿命。
• 模型表明，裂纹扩展对应力强度范围和压力循环频率最为敏感。
• 该方法可实现故障风险的早期检测，使预防性维护在灾难性失效前得以实施。
• 聚焦于I型裂纹扩展确保了与加压管道中最常见失效机理的相关性。
• 该方法为预测应用提供了一种计算效率高的替代方案，避免了复杂数值模拟。