馬海龍，王培偉

（1.維吾爾自治區(qū)烏魯木齊高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)應急搶險中心，新疆 烏魯木齊 830011；

2.中石油山東輸油有限公司，山東 濟寧 272000）

1 背景

海底管道作為海上油氣田開發(fā)的重要組成部分，承擔著油氣運輸?shù)闹匾δ?，更有海上油氣田“生命線”之稱。由于海底地勢復雜（洋流、海浪、地震等）海底管道不可避免的出現(xiàn)懸空。管道懸空改變了原有的承載形式和應力狀態(tài)大大增加了海底管道發(fā)生失效的概率。懸空管段在復雜海況作用下管道極易出現(xiàn)微小缺陷，長期服役慢慢擴展形成裂紋，對管道安全運行形成潛在危險［1-2］。因此，有必要開展海底懸空管道裂紋的分析研究。

2 管道相關參數(shù)

我國海底管道鋪設主要采用X60管材鋼，X60鋼材國內(nèi)標號為L415。管材相關參數(shù)見表1所示。管道支撐條件的改變和管道暴露與海洋環(huán)境中，會造成多重載荷的作用，主要包括：管道自重、管道內(nèi)壓、海底靜水壓力、輸送液體自重、水流載荷［3］。

表1 X60管材參數(shù)%

3 含表面裂紋缺陷管道極限懸空長度確定

懸跨管道主要受彎矩作用，且跨中位置彎矩最大，故環(huán)向裂紋對于管道斷裂影響較大。裂紋尖端網(wǎng)格劃分采用1/4節(jié)點奇異單元，裂紋附近區(qū)域采用加密四面體單元，整體管道采用六面體單元。管道、載荷和裂紋存在對稱性，即取模型1/2為計算模型。

圖1 管道網(wǎng)格劃分圖

以共振為懸空管道判定標準，管道在海流流經(jīng)時不發(fā)生渦激振動為條件來確定管道允許懸跨長度［4］。邊界條件為兩端簡支，裂紋位置和形狀尺寸取最危險情況，即 a/t=0.8，a/c=1.0，壓力取最大值 7MPa［5-6］。

圖2 1/4橢圓裂紋韌性值變化圖

由圖 2（c）可知，當裂紋相對深度 a/t=0.8，a/c=1.0時，裂紋最深點應力強度因子最小，隨著裂紋角度的增加，裂紋各點的應力強度因子也逐漸變大，裂紋角度45°以后增加的迅速，最大點發(fā)生在表面點處。

4 不同裂紋形狀比對管道裂紋應力強度因子影響

文章都是以裂紋最深點為起始0°，表面點為裂紋角90°。管道外表面微觀裂紋在交變力作用下一般會擴展成為宏觀半橢圓裂紋［8-9］。

圖3 裂紋形狀比對應力強度因子影響

由圖3知當相對深度a/t=0.2時，a/c=0.6、a/c=0.7時，裂紋最深點的SIF值最大，而隨著裂紋角的增加，SIF逐漸變小。裂紋形狀比a/c=0.8、a/c=0.9時，裂紋最深點的SIF值先減小后增加。裂紋形狀比越大，裂紋SIF增加的速度越快并且增加到表面點時其值要大于裂紋最深點的SIF值。

圖4 裂紋最深點應力強度應力變化

由圖4知裂紋最深點A的應力強度因子值，隨著裂紋形狀比的增加而減小。表面點B的應力強度因子值，則隨著裂紋形狀比的增加而增加。

5 載荷對表面裂紋管道應力強度因子的影響

不同懸跨長度對含裂紋管道應力強度因子影響。取裂紋相對深度a/t=0.4，a/c=0.5，分別取懸跨長度16、20、24、28m，海底管道懸跨段受自身重量和輸送介質(zhì)質(zhì)量載荷作用。

由圖5，裂紋相對深度a/t=0.4，a/c=0.5時，各個懸跨長度隨著裂紋角度的增加應力強度因子慢慢減小，裂紋強度因子最大值出現(xiàn)在最深點處。不同海流速度對裂紋應力強度因子的影響。取懸跨長度20m，裂紋相對深度 a/t=0.4，裂紋形狀比 a/c=0.5。分別取 0.5、1、1.5、2 m/s，各個流速下裂紋應力強度因子如圖7所示。

圖5 不同懸跨長度下裂紋應力強度因子大小

圖6 不同海流速度下裂紋應力強度因子大小

隨著裂紋角度增加，各速度下半橢圓裂紋各點應力強度因子變化趨勢基本相同，平穩(wěn)減小到裂紋角45°時迅速減小，到最后裂紋表面時又緩慢減小。由圖7得隨著管道內(nèi)壓的增加，裂紋應力強度因子隨之增加，且裂紋應力強度因子增加的幅度和管道內(nèi)壓增加的幅值呈正比。

圖7 壓力對管道裂紋應力強度因子影響

綜上分析可知管道懸空長度和內(nèi)壓波動對裂紋應力強度因子影響較大，海流速度影響不大但海流速度是渦激振動的重要影響因素，海流速度影響管道的上下左右振動，是引起裂紋擴展的重要載荷。

7 結語

（1）懸空長度為40m的兩端簡支管道，當裂紋相對深度a/t=0.8，形狀比a/c=1.0時，裂紋最深點應力強度因子最小，隨著裂紋角度的增加，裂紋各點的應力強度因子也逐漸變大，最大點發(fā)生在表面點處。

（2）表面裂紋隨著懸空長度和海流速度增加，裂紋SIF增加，且增加的幅度越來越大，而裂紋SIF值隨著管道內(nèi)壓的增加呈現(xiàn)相應等幅增加。