海底油氣外輸管線焊接接頭缺陷的eca評估

海底油氣外輸管線焊接接頭缺陷的eca評估

0環(huán)境分析主要關(guān)注對一種結(jié)構(gòu)的安全性評價原油長距離輸送管道是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)。在鋪設(shè)階段和隨后的服務(wù)過程中，存在各種焊接缺陷和變形。由于該類管線通常處于復(fù)雜的受力狀態(tài)(重力、各種壓力等靜態(tài)力,機械振動、海水反復(fù)沖擊等動態(tài)力,臺風(fēng)等不可預(yù)知的外力)和惡劣的周圍腐蝕性環(huán)境(大氣腐蝕、海水腐蝕等)中,缺陷一旦產(chǎn)生,就有促使其擴展至管線發(fā)生塌陷、泄漏甚至斷裂事故的可能性,從而造成極大的經(jīng)濟損失和重大的海洋環(huán)境污染事故。因此,對這類焊接結(jié)構(gòu)的安全性加以正確評價是十分必要的。旅順至大連間海底外輸管線鋪設(shè)總長度約59.2km,最大水深約33m,所用材料為API-5LX56,管道外徑為324mm,壁厚為12.7mm.進行斷裂和疲勞ECA評估的目的是通過分析管線鋪設(shè)階段焊接接頭處缺陷在承受靜態(tài)鋪設(shè)應(yīng)力、動態(tài)循環(huán)應(yīng)力、殘余應(yīng)力等作用下,估計出基于DNV遠洋標準的無損檢測條件下,不同缺陷類型、位置及不同錯邊量狀態(tài)下管線焊接接頭處缺陷的斷裂臨界尺寸大小及壽命。1評判機關(guān)分級英國標準BSIPD-6493于2000年頒布了其修訂版,改代號為BS7910∶1999。標準中將斷裂評定共分3個等級,選用何種級別與所選材料、可提供的相關(guān)數(shù)據(jù)以及精確程度有關(guān),等級越高,評定所需要的力學(xué)性能數(shù)據(jù)越多,相應(yīng)評定精確度越高,但評定結(jié)果的保守性卻越低。標準中,針對含缺陷結(jié)構(gòu)受循環(huán)載荷作用時的疲勞性能評定提出了2種方法,即通過對裂紋擴展速率進行積分得到結(jié)構(gòu)壽命的斷裂力學(xué)評定法和依據(jù)含缺陷構(gòu)件實際S-N曲線與要求S-N曲線相比較的質(zhì)量分類評定法。1.1斷裂性能評價基于斷裂力學(xué)理論,依據(jù)“合于使用”原則,BS7910標準應(yīng)用斷裂評定曲線FAD(failureassessmentdiagram)作為防止含缺陷結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性斷裂的評定準則,FAD圖的縱軸是施加載荷與斷裂阻力的比值,FAD圖的橫軸是施加載荷與引起塑性破壞的極限載荷之比值?；谟脩粢蠹肮芫€鋼良好的韌性,選用BS7910三級評定規(guī)程進行斷裂性能評價。三級評定也稱塑性撕裂評定,該評定級別主要適用于奧氏體鋼和鐵素體鋼等韌性材料。三級評定按材料性能數(shù)據(jù)的詳細程度及所選用評定參量的不同可分為FAD3A、FAD3B及FAD3C.1.1.1材料再生以來的初步穩(wěn)定性fad3A級評定規(guī)程適用于各類材料,評定時無需得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)。其評定曲線方程為{√δr或Κr=(1-0.14L2r)[0.3+0.7exp(-0.65L6r)]?Lr＜Lmax√δr或Κr=0?Lr＞Lmax(1)不同材料在FAD圖中對應(yīng)不同的截止線。當Lr=1.0時,曲線方程為√δr或Kr={1+EεL/σuy+1/[2(1+EεL/σuy)]}-0.5,Lr=1(2)式中:εL為Lüders平臺的估計長度,εL=0.0375(1-σuy/1000);σuy為屈服強度的上限值。對于Kr或√δr=√δr(Lr=1)L(Ν-1)2Νr,Lr>1式中N為由σs/σu得出的應(yīng)變硬化指數(shù),N=0.3(1-σy/σu)。1.1.2工程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線3B級評定需要的數(shù)據(jù)量較3A級評定大大增加,評定中不僅應(yīng)提供材料屈服強度下限值、抗拉強度值、楊氏模量,還應(yīng)當?shù)玫酱_切的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。因此,采用該級評定方法所得到的結(jié)果通常要比3A級更準確,但不適用于焊接熱影響區(qū)缺陷的評定。在3B級評定中,建議工程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在施加應(yīng)力(σ)與屈服強度(σy)比值點σ/σy=0.7,0.9,0.98,1.0,1.02,1.1,1.2…直到σn(增量為0.1)時準確測定,并通過式(3)描述評定曲線。{√δr或Κr=(EεrefLrσs+L3rσs2Eεref)-0.5?Lr≤Lrmax√δr或Κr=0?Lr＞Lrmax(3)式中εref為對應(yīng)于由拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線得到的真應(yīng)力Lrσs時的真應(yīng)變值。橫坐標Lr表達式為Lr=σref/σs(4)1.1.3裂紋體拉格蘭斯r3C級評定所采用的評定曲線見式(5),也稱J曲線,即{Κr=(Je/J)1/2?Lr≤LrmaxΚr=0?Lr＞Lrmax(5)式中:Je,J分別為對特定材料和結(jié)構(gòu)形式下裂紋體在不同載荷下經(jīng)彈性和彈塑性分析得到的J積分值。1.2裂紋擴展速率首先將實際缺陷理想化為尖銳的裂紋,然后采用斷裂力學(xué)中的裂紋擴展速率定律從初始裂紋ai到臨界裂紋af進行積分,得到裂紋的擴展壽命N.若N已達到設(shè)計壽命而裂紋尚未擴展到極限裂紋尺寸,則該缺陷ai可以接受,反之則不能接受。疲勞裂紋擴展速率為dadΝ=A(ΔΚ)m(6)式中:A和m為由材料、加載環(huán)境、循環(huán)頻率決定的常數(shù);ΔK為應(yīng)力強度因子范圍,ΔΚ=Y(Δσ)√πa.從ai擴展到af的疲勞壽命N為∫aiafdaYm(πa)m/2=A(Δσ)mΝ(7)BS7910標準中推薦了幾種裂紋擴展速率,根據(jù)不同的材料、強度及使用環(huán)境可以查出相應(yīng)的常數(shù)m、A和門檻值ΔK0。2位置和限制2.1焊外表面裂紋評定中認為裂紋位于3個特定位置,即熱影響區(qū)表面裂紋、熱影響區(qū)中的埋藏裂紋、焊縫埋藏裂紋。具體位置見圖1。選取位于焊趾處外表面裂紋進行分析,因為這種情況代表了裂紋初始擴展的最危險情況。對于埋藏裂紋而言,評定中通常的慣例是選擇韌帶尺寸與1個或2個焊珠高度相當?shù)淖龇?。由于管道壁厚?2.7mm,所以采用6層焊縫,其中第5層和第6層為蓋帽焊縫,焊珠的高度近似估計為2.5mm.2.2裂動能k因子之間的約束度因子根據(jù)SINTAP的相關(guān)研究結(jié)果,裂紋尖端張開位移δ和啟裂驅(qū)動力K因子之間的約束度因子取值為1.5。這是因為管道在鋪設(shè)過程中優(yōu)先受拉伸應(yīng)力的影響,結(jié)構(gòu)的“有效”斷裂韌度將高出通過標準的三點彎曲加載(SENB)試件所測得的值。2.3缺陷評定方法由三級評定適用范圍可知,焊趾處的表面裂紋和熱影響區(qū)中的埋藏裂紋因無法獲得缺陷所處位置材料的確切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,故選用3A評定方法;而位于焊縫中的埋藏裂紋則應(yīng)當選用3B級評定規(guī)程。由于一定缺陷尺寸條件下J積分參量的獲得通常需要復(fù)雜的有限元數(shù)值計算,致使其廣泛應(yīng)用變得異常困難。3錯誤評估和疲勞試驗的參3.1材料的基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)3.1.1基本力學(xué)性能由缺陷所處位置,通過拉伸試驗得到室溫下API-5LX56鋼母材和焊縫的基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)(見表1)及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,并確定3A、3B評定曲線,如圖2所示。3.1.2—材料斷裂韌度斷裂韌度試驗采用帶單邊預(yù)制疲勞裂紋的標準三點彎曲試樣。試驗嚴格按照英國標準BS7448—1997-Part4,采用多試樣法且在-5℃進行。通過將各試樣所測取的數(shù)據(jù)點擬合,繪制出焊縫和熱影響區(qū)材料的δ-R阻力曲線,并根據(jù)曲線方程確定了焊縫和熱影響區(qū)的啟裂CTOD值δ0.2分別為0.308mm和0.324mm.3.2管道安裝階段的壓力3.2.1最大靜態(tài)鋪設(shè)應(yīng)力COOEC提供的水深分別為15m和33m時的最大靜態(tài)鋪設(shè)應(yīng)力如表2所示?；诓牧闲阅芎退钜蛩乜紤],決定對以上2種存在最大應(yīng)力情況進行ECA評估,以得到2種極限應(yīng)力狀態(tài)下的允許裂紋尺寸。3.2.2主被動參數(shù)的確定在管線安裝過程中,除了承受靜態(tài)鋪設(shè)應(yīng)力外,還受到由波浪引起的動載荷影響,該動載荷在環(huán)焊縫截面上產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力。動態(tài)應(yīng)力可由動態(tài)因子Q來表征:Q=ME/MF式中:ME為特征動態(tài)彎矩;MF為特征靜態(tài)彎矩。Q的取值分別為0、15%和25%。評定中取導(dǎo)致疲勞裂紋擴展的最危險情況,即Q=25%。分析結(jié)果表明:最大應(yīng)力通常出現(xiàn)在支管架(Stinger)處,且33m水深處的應(yīng)力幅值為58.75MPa,假定對稱加載,則循環(huán)應(yīng)力為117MPa;由同樣分析得到15m水深處的應(yīng)力幅值為50.225MPa,對稱加載的循環(huán)應(yīng)力是100.45MPa.3.2.3殘余應(yīng)力的計算管線焊后通常要對接頭進行消應(yīng)力熱處理,并在使用前進行水壓試驗,因此,評定中殘余應(yīng)力可依據(jù)BS7910標準中的相關(guān)規(guī)定取值。處于較高水平一次應(yīng)力作用下的均勻拉伸屈服殘余應(yīng)力Qm為Qm=(1.4-σrefσ′f)σ′y(8)式中:σref為參考應(yīng)力;σ′y為試驗溫度下的屈服強度;σ′f為流變應(yīng)力。3.2.4不同管道壁厚間的應(yīng)力集中評定在求解容許裂紋尺寸的分析過程中,分別考慮無錯邊、典型錯邊和最大錯邊3種情況。依據(jù)DNV標準中關(guān)于光學(xué)檢測標準和環(huán)焊縫的表面檢查方法,最大可容許的錯邊量emax取0.15t(t為管線壁厚)與3mm間的較小值,為保守起見,該次評定emax取值為0.15t.錯邊引起應(yīng)力集中的影響因子計算式為km=1.0+2.6etthin[11+0.7(tthicktthin)1.4](9)式中tthick和tthin分別為兩對接管道的壁厚。根據(jù)DNVOS-F101的規(guī)定,其值可與名義管道壁厚存在±12.5%的偏差。當存在最大允許錯邊時,km取最大值1.22;典型錯邊時,km為1.15;對于不存在錯邊的情況,km取1.0。在分析過程中,錯邊的影響通過作用于管道壁厚方向上的局部彎曲應(yīng)力pb=(km-1)pm加以考慮。3.2.5資料處理和求解應(yīng)力當表面裂紋位于局部應(yīng)力集中區(qū)(例如焊趾)時,計算應(yīng)力強度因子KI必須考慮局部應(yīng)力區(qū)的影響。BS7910附錄M5中給出了膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力Mk因子求解表達式。Mk因子的求解公式是通過有限元分析得到的,當z=0.15mm時,Mk取得最大值。Mk因子的取值在該最大值和1.0之間變化。求解Mk見式(10):Μk=v(z′B)ω(10)式中:v和ω由查表得到;B為壁厚;z為從平板表面沿垂直方向測量的距離。3.2.6環(huán)向直接同環(huán)參考應(yīng)力是采用FAD法進行評定中必須計算的參量,BS7910中關(guān)于管道環(huán)向表面裂紋的參考應(yīng)力求解方法為{σref=pm[π(1-aB)+2×aB?sincr](1-aB)[π-cr?aB]+2pk3(1-am)am=aB?cri?πri＜c+Bam=aB1+aB?πri＞c+B(11)式中:pm為一次膜應(yīng)力,MPa;ri和r分別為管道的內(nèi)半徑和平均半徑;a為裂紋深度;c為裂紋半長。環(huán)向埋藏裂紋的參考應(yīng)力:{σref=pb+3pmam+[(pb+3pmam)2+9p2m(1-am)2+4pamB]23[(1-am)2+4pamB]am=2aB/(1+Bc)?W＞2(c+B)(12)式中:2a為裂紋深度,mm;c為裂紋半長,mm;p為韌帶尺寸,mm;B為壁厚,mm;W為管道的周長,mm,對于直徑為323.9mm的管線,W=1015mm.3.2.7安全因素和缺陷尺寸的適應(yīng)性差三級評定考慮采用局部安全因子,BS7910給出了對應(yīng)于不同目標失效概率水平的一系列局部安全因子值,如表3所示。3.3“有拉緊器”到“海床”的管線由COOEC提供的數(shù)據(jù)得知,管線鋪設(shè)過程中的浪高Hs=2.0m,海浪周期Ts=7s,每個管段長12.192m,在每個站點鋪設(shè)的時間是1763.3s(24h鋪設(shè)50根鋼管)。33m水深工況下,從拉緊器到海床之間的管線總長約237m,共有19.4根管,總安裝時間是34208s,則這段時間對應(yīng)著4887次海浪循環(huán)。15m水深工況下,從拉緊器到海床之間的管線總長是約180m,共有14.76根管,總安裝時間是26026s,則這段時間對應(yīng)著3718次海浪循環(huán)。疲勞評定中選用BS7910推薦的鋼材空氣介質(zhì)、兩階段疲勞裂紋擴展規(guī)則的上限值,見表4。4評估結(jié)果4.1斷裂極限的裂縫尺寸通過以上參量計算所得到的結(jié)果,計算得到不同水深、不同缺陷位置、不同錯邊量條件下裂紋臨界尺寸分別如圖3～圖5所示。4.2疲勞壽命的確定通過對管線焊接接頭的斷裂分析得到缺陷的極限允許尺寸大小。則缺陷受循環(huán)載荷從初始尺寸按一定的速率和規(guī)則擴展到極限尺寸的時間即為疲勞壽命。在此以33m水深、管線跨距為40m、錯邊量e=0.15t為例,對10年間最大應(yīng)力的熱影響區(qū)表面缺陷進行疲勞裂紋擴展壽命評估。4.2.1已知數(shù)據(jù)(1)管道尺寸半徑r=279.4mm;截面厚度B=12.7mm;(2)初始尺寸深度a0=0.464mm;缺陷長度2c0=318.2mm;(3)機械能力屈服強度σy=448MPa;抗拉強度σu=530MPa;(4)載荷譜一個Blocks的應(yīng)力循環(huán)載荷譜見表