李麗瑋，郝 林，周巍偉，裴曉梅，曹 靜

(1.中海油研究總院，北京 100028；2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300452)

海底管道裂紋損傷評估及軟件開發(fā)

李麗瑋1，郝 林2，周巍偉1，裴曉梅1，曹 靜1

(1.中海油研究總院，北京 100028；2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300452)

海底管道是海上油氣資源集輸、外輸?shù)闹饕侄?。對于建成的海底管道，由于投產(chǎn)后輸送介質(zhì)的變化、腐蝕、漁業(yè)捕撈、過往船只拖/拋錨等活動，使管道局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，發(fā)生裂紋并導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，從而帶來油氣停產(chǎn)等重大經(jīng)濟(jì)損失。因此對海底管道裂紋損傷強度的評估是非常重要的。介紹了通用的結(jié)構(gòu)失效評估圖(FAD)技術(shù)，詳細(xì)闡述了規(guī)范BS7910—1999裂紋損傷強度評估二級評定方法的運用，并依據(jù)規(guī)范編寫了海底管道裂紋損傷強度評估系統(tǒng)。采用該評估系統(tǒng)，可快速評價已發(fā)生裂紋是否能夠繼續(xù)滿足強度要求。

海底管道；裂紋損傷；評估；結(jié)構(gòu)失效評估圖；BS7910

0 引 言

海底管道故障原因多種多樣。根據(jù)對國內(nèi)外現(xiàn)役海底管道故障原因的調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，管道故障類型主要包括第三方破壞、腐蝕、母材或焊縫缺陷失效、臺風(fēng)襲擊等。其中第三方破壞造成的損傷形式有裂紋、凹痕以及劃痕。本文重點介紹含裂紋損傷的海底管道強度評估方法。

裂紋是由于母材/焊縫失效或者腐蝕在管道表面產(chǎn)生的局部缺陷，在運行過程中極有可能發(fā)生裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象，進(jìn)而給生產(chǎn)運營帶來諸多影響。國際上通用的海底管道含裂紋缺陷損傷評估規(guī)范包括英國標(biāo)準(zhǔn)BS7910—1999[1]和美國石油協(xié)會(API)標(biāo)準(zhǔn)API579—2007[2]。BS7910與API579裂紋缺陷評估的總體流程是一致的，都是采用基于失效評估圖(FAD)的缺陷損傷三級評估方法，但兩個標(biāo)準(zhǔn)對參考應(yīng)力、斷裂韌性、應(yīng)力強度因子的計算以及分項安全系數(shù)的選取是有所區(qū)別的。本文主要介紹BS7910缺陷損傷評估方法。BS7910缺陷損傷評估分為三級：一級評估為簡單評估，適用于評估數(shù)據(jù)較少的情況；二級評估為普通評估；三級評估較為復(fù)雜，當(dāng)需要考慮材料硬化指數(shù)等情況時選用三級評估方法[3]。對于含裂紋缺陷的海底管道強度評估推薦采用BS7910二級評估方法?；贐S7910二級評估方法，開發(fā)了海底管道裂紋損傷強度評估軟件系統(tǒng)，并通過評估實例證實了該系統(tǒng)的有效性。

1 海底管道裂紋損傷評估方法

缺陷的評定采用基于斷裂力學(xué)原理的結(jié)構(gòu)FAD[4]。FAD的縱軸為應(yīng)力強度與材料斷裂韌性的比率，代表應(yīng)力強度斷裂比，橫軸為參考應(yīng)力與屈服強度的比率，代表參考應(yīng)力載荷比[5]。通過計算缺陷，確定缺陷斷裂比與載荷比，根據(jù)BS7910二級評估曲線確定裂紋缺陷是否可接受。BS7910推薦的二級缺陷評估方法如圖1所示[4]。

BS7910裂紋缺陷評估的總體流程如圖2所示。評估所需數(shù)據(jù)包括：管徑、壁厚；缺陷類型、位置、尺寸；應(yīng)力(壓力、熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力以及其他類型的載荷如彎矩、軸向力)；材料性能參數(shù)，包括屈服強度、拉伸強度、泊松比、彈性模量；材料斷裂韌性數(shù)據(jù)(可通過夏比試驗數(shù)據(jù)計算或者通過斷裂韌性試驗獲取)[3]。

圖1 二級缺陷失效評定圖Fig.1 Level-2 failure assessment

圖2 二級A評定流程圖Fig.2 Level-2A failure assessment flow chart

1.1 缺陷類型與尺寸

考慮到軸向裂紋與環(huán)向裂紋承受的主應(yīng)力及二次應(yīng)力大小有所區(qū)別，因此將裂紋規(guī)則化處理為軸向裂紋和環(huán)向裂紋。對于軸向裂紋，環(huán)向應(yīng)力使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展；對于環(huán)向裂紋，軸向拉伸應(yīng)力使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。結(jié)合裂紋類型以及裂紋方向，為了計算裂紋的應(yīng)力強度因子及載荷比，將裂紋類型組合為12種工況，各工況對應(yīng)的截面圖如表1所示。在表1中，a表示穿透型裂紋長度的一半，表面裂紋的裂紋高度，或是埋藏型裂紋的裂紋深度的一半，mm；B表示材料的厚度，mm；c表示表面裂紋或埋藏型裂紋長度的一半，mm；rm表示管道半徑，mm。

表1 裂紋幾何形狀示意Table 1 Crack geometry diagram

1.2 計算斷裂比Kr

斷裂比Kr表示有關(guān)斷裂力學(xué)的施載條件的比率，表達(dá)形式為

(1)

式中：KI為應(yīng)力強度因子，MPa·m1/2，與裂紋形式、管道應(yīng)力有關(guān)；Kmat為材料的斷裂韌性系數(shù)。

1.2.1 應(yīng)力強度因子計算

應(yīng)力強度因子是斷裂比中重要的影響參數(shù)，在計算應(yīng)力強度因子時考慮了相關(guān)的修正系數(shù)，不同的裂紋類型(穿透、表面、埋藏)以及不同的載荷類型對應(yīng)的修正系數(shù)不同。應(yīng)力強度因子表達(dá)形式為

(2)

(Yσ)=(Yσ)p+(Yσ)s,

(3)

式中：(Yσ)為計算應(yīng)力強度因子的重要部分，由主應(yīng)力與二次應(yīng)力共同作用，MPa；(Yσ)p為主應(yīng)力，MPa；(Yσ)s為二次應(yīng)力，MPa；α為管材線膨脹系數(shù)，取值為1.2×10-5/℃。

主應(yīng)力分為膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，一般表達(dá)形式為

(Yσ)p=Mfw[ktmMkmMmPm+ktbMkbMb{Pb+(km-1)Pm}],

(4)

式中：M為鼓脹系數(shù)；Mm、Mb、Mkm、Mkb為應(yīng)力放大系數(shù)；fw為橢圓形缺陷應(yīng)力強度修正系數(shù)；ktm為膜應(yīng)力集中系數(shù)；ktb為彎曲應(yīng)力集中系數(shù)；km為焊接未對齊導(dǎo)致的應(yīng)力放大系數(shù)。對于不同的裂紋型式，以上系數(shù)計算公式有所區(qū)別。規(guī)范BS7910附錄M給出了系數(shù)M、Mm、Mb、Mkm、Mkb、fw的選取參考表格以及詳細(xì)計算公式，附錄D給出了ktm、ktb、km的詳細(xì)計算公式。Pm為主膜應(yīng)力，MPa；Pb為主彎曲應(yīng)力，MPa。需根據(jù)管道裂紋方向與管道應(yīng)力計參考規(guī)范BS7910 6.4.2節(jié)計算主膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力。

對于不同的裂紋形式，主膜應(yīng)力與主彎曲應(yīng)力對應(yīng)的主應(yīng)力因素不同。溫度產(chǎn)生的軸向熱應(yīng)力通常作為二次應(yīng)力考慮。如果將溫度產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力作為主應(yīng)力考慮，結(jié)果更加保守。圖3示出了管道上不同裂紋方向?qū)?yīng)的主應(yīng)力方向。表2給出了管道上不同裂紋方向?qū)?yīng)的主應(yīng)力因素。

圖3 不同裂紋方向?qū)?yīng)的主應(yīng)力方向Fig.3 Main stress directions of different cracks

表2 不同裂紋方向?qū)?yīng)的主應(yīng)力因素Table 2 Main stress of different crack direction

二次應(yīng)力(Yσ)s同樣是計算應(yīng)力強度因子的重要部分，其一般表達(dá)形式為

(Yσ)s=MmQm+MbQb,

(5)

式中：Qm為二次膜應(yīng)力，MPa，對于環(huán)向裂紋，二次膜應(yīng)力由溫度載荷應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力組成，對于軸向裂紋，二次膜應(yīng)力由焊接殘余應(yīng)力組成；Qb為二次彎曲應(yīng)力，MPa，一般情況下為0。

二次應(yīng)力主要包括溫度載荷造成的應(yīng)力以及焊接殘余應(yīng)力。溫度應(yīng)力較易計算，管道系統(tǒng)規(guī)范等均給出了定量計算公式。焊接殘余應(yīng)力的大小對于裂紋的影響較為重要，規(guī)范BS7910附錄Q給出了焊接結(jié)構(gòu)不同方向殘余應(yīng)力的計算公式以及參數(shù)的取值。

1.2.2 斷裂韌性計算

(1)在韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的下平臺區(qū)，取下包絡(luò)線

(6)

式中：Kmat為斷裂韌度的估計值，MPa·m1/2；為要求有Kmat估計值的材料的厚度，mm；Cv為工作溫度下，鋼材韌性的夏比沖擊值(CVN)的下限。CVN的計算及取值，在規(guī)范API579附錄F中給出了詳細(xì)的介紹。

(2)在韌-脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間用統(tǒng)計方法進(jìn)行分析：

T0=T27J-18 ℃(標(biāo)準(zhǔn)差15 ℃),

(7)

T0=T40J-24 ℃(標(biāo)準(zhǔn)差15 ℃),

(8)

(9)

式中：T為確定Kmat時的溫度，℃；T0可根據(jù)式(7)或式(8)估算出；TK是一個溫度項，它描述了式(7)和式(8)所給出的夏比沖擊值對斷裂強度之間關(guān)系的離散度，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差為15 ℃，置信度為90%時，TK=+25 ℃；B為材料的厚度，其中對材料要求有Kmat的估計；Pf為Kmat小于估計值的概率，建議Pf取值為0.05(5%)，除非有實驗證據(jù)證明使用高一些的值更有效；T27J及T40J在規(guī)范API579附錄F中給出了詳細(xì)的介紹。

(3)斷裂韌性上限，在韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的上平臺區(qū)，取下包絡(luò)線

Kmat=0.54Cv+55,

(10)

式中：Kmat及Cv含義與式(6)中相同。

1.2.3 分項安全系數(shù)選取

依據(jù)可接受的失效概率以及數(shù)據(jù)的不確定性，可對輸入項進(jìn)行分項安全系數(shù)修正，修正內(nèi)容包括應(yīng)力、裂紋尺寸、斷裂韌性和屈服強度。BS7910附錄K給出了分項安全系數(shù)大小。針對管道的檢維修情況，給出了三種失效后果及對應(yīng)的可接受失效概率?？山邮苁Ц怕室罁?jù)最低合理可行(ALARP)原則(見圖4)確定。

圖4 最低合理可行原則(ALARP)Fig.4 As low as reasonably practicable (ALARP) principle

對于冗余結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非冗余結(jié)構(gòu)定義了三種失效結(jié)果，如表3所示。表中所有的數(shù)值均是單個構(gòu)件的失效概率，總體目標(biāo)是保護(hù)完整結(jié)構(gòu)物免受損傷。

表3 目標(biāo)失效概率Table 3 Target probability of failure a-1

分項安全系數(shù)不僅與目標(biāo)要求的失效概率有關(guān)，還與輸入數(shù)據(jù)的分散性或者不確定性有關(guān)，這種不確定性由數(shù)據(jù)的變異系數(shù)(COV)表征[6]。對于應(yīng)力、裂紋尺寸、斷裂韌性以及屈服強度的不同變異系數(shù)，得到了相應(yīng)的結(jié)果。規(guī)范要求假定固定載荷應(yīng)力的變異系數(shù)為0.2，變化載荷應(yīng)力的變異系數(shù)為0.3，屈服強度的變異系數(shù)為0.1。規(guī)范BS7910推薦的對應(yīng)最大拉伸應(yīng)力、裂紋尺寸、斷裂韌性的特征值和屈服強度的特征值的分項安全系數(shù)如表4所示。

表4 不同目標(biāo)失效概率PF的推薦分項系數(shù)Table 4 Recommended partial factors for different target probabilities of failure PF

(續(xù)表)

注：βr表示對應(yīng)失效概率的系數(shù)；NP表示沒有符合該項的數(shù)據(jù)。

1.3 計算載荷比Lr

載荷比的計算公式為

(11)

式中：Lr為外加載荷與屈服載荷的比值；σref為參考應(yīng)力，MPa，不同的裂紋類型(穿透、表面、埋藏)以及不同的載荷類型對應(yīng)的參考應(yīng)力表達(dá)式不同，BS7910附錄P給出了詳細(xì)的說明；σY為屈服強度或0.2%的彈性強度，MPa。

1.4 計算FAD

依據(jù)計算所得Kr和Lr,通過FAD判定缺陷是否可接受。

1.5 小結(jié)

BS7910針對不同情況給出了三級評估方法。以上詳細(xì)介紹了最常用的二級普通評估方法，對參考應(yīng)力、應(yīng)力強度因子、斷裂韌性的計算以及分項安全系數(shù)的選取進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

2 海底管道裂紋評估方法對比分析

規(guī)范API579對管道裂紋損傷提出了詳盡的評估方法，總體評估流程與BS7910基本一致，但在應(yīng)力強度因子、參考應(yīng)力計算表達(dá)式、斷裂韌性計算等方面有所區(qū)別。

2.1 未對齊修正對比分析

規(guī)范API579對焊縫錯位及殼體變形進(jìn)行了獨立分析，通過剩余強度系數(shù)判定缺陷是否可接受，其中對因焊縫錯位或殼體變形導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力增大進(jìn)行了詳細(xì)研究與計算，修正后的彎曲應(yīng)力可作為裂紋分析過程中的主應(yīng)力。然而管道焊接過程已向半自動化、自動化發(fā)展，并且建造期間對橢圓度有嚴(yán)格的控制，發(fā)生焊接錯位殼體變形的可能性很小。因此，通過對比發(fā)現(xiàn)，BS7910對于焊接錯位及殼體變形的計算方法簡便易行。

2.2 斷裂韌性計算對比分析

材料的斷裂韌性可通過斷裂韌性試驗獲得，但大多數(shù)情況下鋼管并不進(jìn)行斷裂韌性檢驗。BS7910附錄J給出了依據(jù)夏比沖擊試驗估算斷裂韌性的指導(dǎo)方法，指導(dǎo)方法給出了三種斷裂韌性與夏比沖擊試驗數(shù)據(jù)的相互關(guān)系。而API579給出的斷裂韌性與夏比試驗數(shù)據(jù)的關(guān)系更多的是依據(jù)斷裂韌性下限計算的名義斷裂韌性，因為規(guī)范在對斷裂韌性、裂紋尺寸、主應(yīng)力修正時用到的分項安全系數(shù)是對應(yīng)名義斷裂韌性進(jìn)行設(shè)定的。當(dāng)僅用斷裂韌性下限時，無需進(jìn)行分項系數(shù)修正。

2.3 分項安全系數(shù)對比分析

BS7910依據(jù)可接受的失效概率以及數(shù)據(jù)的不確定性，給出了斷裂韌性、裂紋尺寸、應(yīng)力大小、屈服強度的分項安全系數(shù)，考慮的失效概率分別為10-3、7×10-5、10-5三個等級。而API579僅當(dāng)選用名義斷裂韌性進(jìn)行分析時才考慮分項安全系數(shù)的修正，當(dāng)選用斷裂韌性下限時，無需進(jìn)行分項系數(shù)的修正?？紤]的失效概率分別為10-2、10-3、10-6三個等級。經(jīng)過對比分析得出結(jié)論，API579修正系數(shù)稍大，BS7910分項安全系數(shù)的使用更加靈活。

2.4 小結(jié)

API579和BS7910都對管道裂紋損傷提出了詳盡的評估方法，因篇幅所限，本文并未對API579裂紋損傷評估方法展開介紹。雖然API579總體評估流程與BS7910大體一致，但在應(yīng)力強度因子、參考應(yīng)力計算表達(dá)式、斷裂韌性計算等方面有所區(qū)別。經(jīng)過多次評估對比發(fā)現(xiàn)，BS7910在焊接錯位及殼體變形的計算方法上更加簡便易行，分項安全系數(shù)的使用更加靈活；同時調(diào)研結(jié)果表明法國船級社(BV)關(guān)于裂紋的評估項目都采用BS7910來進(jìn)行。因此，推薦BS7910作為海底管道裂紋損傷的主要評估方法。

3 海底管道裂紋損傷評估系統(tǒng)及應(yīng)用案例

3.1 系統(tǒng)的功能及模塊組織

根據(jù)BS7910推薦的評估方法開發(fā)了海底管道裂紋損傷強度評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)為“海底管道剩余強度分析系統(tǒng)”的子系統(tǒng)。針對裂紋損傷強度評估，共包含裂紋類型、管道尺寸、未對齊、主應(yīng)力、二次應(yīng)力、材料拉伸性能、韌性、敏感性/臨界狀態(tài)分析、安全系數(shù)、結(jié)果、保存、讀取共12個界面。圖5所示為裂紋損傷評估界面。

圖5 裂紋損傷評估界面Fig.5 Crack assessment interface of the developed system

3.2 分析對象的信息輸入

依次點擊每個界面，輸入或選擇相關(guān)參數(shù)，軟件在“結(jié)果”界面會自動計算，并生成圖像和數(shù)據(jù)，且用戶能夠完成保存和讀取操作。圖6為裂紋評估結(jié)果界面。

圖6 評估結(jié)果界面Fig.6 Assessment result interface

3.3 應(yīng)用案例

為了測試軟件的正確性及穩(wěn)定性，依據(jù)BS7910對裂紋評估進(jìn)行測評。

需評估的管道參數(shù)為：外徑812.8 mm；壁厚19.1 mm；外壓1 MPa，內(nèi)壓5 MPa；應(yīng)力集中系數(shù)ktm=1，ktb=1；材料的屈服強度448.2 MPa，拉伸強度530.9 MPa，韌性 75 kJ/m2。

裂紋數(shù)據(jù)為：表面裂紋；位于內(nèi)表面；軸向缺陷；長度2c=18 mm，深度a=5 mm。

軟件系統(tǒng)與BS7910規(guī)范計算結(jié)果對比如表5所示。其中，KI為迭代求取的最大值。

表5軟件系統(tǒng)與規(guī)范計算結(jié)果對比
Table5Comparisonbetweensoftwareandstandardcalculationresults

參數(shù)軟件計算值BS7910計算值Pm106．3870106．3874Pb2．56002．5605(Yσ)p120．4512120．4512(Yσ)s357．9720357．9720Yσ478．4237478．4232KI1896．14951896．1495σref130．0901130．0901Kr0．59960．5996Lr0．29030．2903

3.4 小結(jié)

依據(jù)規(guī)范BS7910裂紋損傷二級評價方法編制了海底管道裂紋損傷評估軟件，應(yīng)用軟件對案例進(jìn)行了詳細(xì)計算，并依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對軟件裂紋評估結(jié)果的正確性和穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。測試結(jié)果顯示，軟件計算結(jié)果與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果基本保持一致，表明海底管道裂紋損傷評估軟件能夠為海底油氣管道機(jī)械損傷的評估提供一定的幫助。

4 結(jié) 語

裂紋損傷是海底管道機(jī)械損傷中較為復(fù)雜也是最為常見的形式。對海底管道裂紋損傷進(jìn)行合理的評估可以為海底管道服役期間的安全和維護(hù)/維修提供可靠的技術(shù)保障。本文針對含裂紋損傷缺陷的海底管道，具體分析了規(guī)范BS7910給出的剩余強度評估方法。BS7910缺陷評估方法主要依據(jù)基于斷裂力學(xué)原理的結(jié)構(gòu)FAD開展評定。重點介紹了參考應(yīng)力、斷裂韌性、應(yīng)力強度因子以及分析安全系數(shù)的計算和選取，同時簡要介紹了BS7910與API579在裂紋損傷評估方法上的區(qū)別。BS7910在實際應(yīng)用方面更具有靈活性，且該規(guī)范是裂紋評估最具權(quán)威性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此建議裂紋評估選用BS7910方法。依據(jù)BS7910編寫了裂紋損傷評估軟件，并通過案例進(jìn)行了驗證。在評估裂紋損傷時，與直接使用規(guī)范相比，軟件應(yīng)用更加簡易方便。

[1] British Standards Institute.BS7910—1999.Guide on methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures [S].1999.

[2] American Petroleum Institute.API579—2007.Fitness for service[S].2007.

[3] 權(quán)淑麗,張玉鳳,霍立興,等.含環(huán)向穿透裂紋海底油氣管道的安全評估[J].焊接技術(shù),2006,35(1):22.

[4] 金偉良,付勇,趙冬巖,等.具有裂紋損傷的海底管道斷裂及疲勞評估[J].海洋工程,2005,23(3):7.

[5] 金偉良,付勇,趙冬巖,等.具有裂紋損傷的海底管道斷裂評估及其軟件開發(fā)[J].中國海上油氣(工程),2003,15(6):41.

[6] 王禹川,趙常俊,黃剛,等.含裂紋缺陷油氣管道失效概率定量評估[J].安全與環(huán)境工程,2014,21(3):126.

EvaluationonSubmarinePipelinewithCrackDamageandSoftwareDevelopment

LI Li-wei1,HAO Lin2,ZHOU Wei-wei1,PEI Xiao-mei1,CAO Jing1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China;2.CNOOCSafetyTechnologyServicesCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Submarine pipeline is the main tool for the transportation and exporting of offshore oil and gas resource.The working pipeline would suffer stress concentration and occurrence of crack,which may lead to crack propagation,due to the change of transmission medium,corrosion,fishing,dragging anchors and other activities.It is very important to evaluate the strength of the submarine pipeline with crack damage.General structure failure assessment diagram (FAD) technology and application of level 2 evaluation method in the specification BS7910—1999 are introduced.An evaluation system is developed according to BS7910—1999.Case study shows that this system can be used to quickly assess the strength of pipeline with crack damage.

submarine pipeline; crack damage; evaluation; failure assessment diagram (FAD); BS7910

2015-12-24

李麗瑋(1986—)，女，碩士研究生，主要從事海底管道和立管結(jié)構(gòu)方面的研究。

TE973

A

2095-7297(2016)01-0012-08