王樂(lè)芹，孫國(guó)民，熊海榮，劉吉飛，苑健康

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

雙金屬?gòu)?fù)合管由2部分組成，其外部是低合金鋼管(又稱基管)，內(nèi)襯部位則是耐腐蝕合金(Corrosion Resistant Alloy，CRA)層，典型的CRA層包括316L、825合金、625合金等。雙金屬?gòu)?fù)合管將基管的機(jī)械性能與內(nèi)襯管的防腐性能相結(jié)合，可以很好地使輸送強(qiáng)度、壓力需求和耐蝕性能同時(shí)得到滿足，且具有很高的性價(jià)比，現(xiàn)在已得到了廣泛應(yīng)用。在強(qiáng)酸性介質(zhì)環(huán)境中，當(dāng)CRA冶金復(fù)合管道在操作期關(guān)停、重啟動(dòng)循環(huán)中發(fā)生大應(yīng)變側(cè)向屈曲時(shí)，通常疲勞極限狀態(tài)會(huì)成為海底管道的控制極限狀態(tài)。根據(jù)規(guī)范要求，在強(qiáng)酸性介質(zhì)環(huán)境中的CRA冶金復(fù)合管道的疲勞極限狀態(tài)校核除了常規(guī)的、基于應(yīng)力的S-N校核方法外，還需要進(jìn)行基于斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展疲勞校核，即工程臨界評(píng)估(Engineering Criticality Assessment，ECA)。此外，CRA冶金復(fù)合管道由于受自身復(fù)合材料屬性、所處強(qiáng)酸性環(huán)境和加載頻率等影響，其在低頻、大應(yīng)變載荷作用下的耐久性疲勞性能即S-N曲線和疲勞裂紋擴(kuò)展屬性與常規(guī)碳鋼管道在普通介質(zhì)環(huán)境中的相關(guān)疲勞性能有顯著差異，為此，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，需要采用項(xiàng)目采辦的管材和項(xiàng)目實(shí)際環(huán)焊縫焊接工藝完成的焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以確定管道設(shè)計(jì)疲勞S-N曲線、斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展性能，從而開(kāi)展特定項(xiàng)目管道、定制化的ECA評(píng)估[1-2]，降低ECA評(píng)估的過(guò)度保守水平。

本文針對(duì)NFA項(xiàng)目高溫高壓、高含硫、強(qiáng)酸性環(huán)境中的CRA冶金復(fù)合管道的整體屈曲，開(kāi)展低頻、大應(yīng)變循環(huán)載荷作用下的腐蝕疲勞試驗(yàn)，建立CRA冶金復(fù)合管道酸性介質(zhì)環(huán)境耐久性疲勞折減因數(shù)和疲勞裂紋擴(kuò)展速率Paris公式，并基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)發(fā)生側(cè)向屈曲的CRA冶金復(fù)合管道開(kāi)展大應(yīng)變腐蝕疲勞設(shè)計(jì)，包括傳統(tǒng)的基于應(yīng)力的S-N疲勞校核及大應(yīng)變情況下基于斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展疲勞校核，即ECA評(píng)估，從而確保管道在全壽命周期(包括安裝、在位及運(yùn)營(yíng)期)的完整性和技術(shù)可靠性。

1 強(qiáng)酸性環(huán)境下海底管道高溫高壓、整體屈曲所致的腐蝕疲勞試驗(yàn)

1.1 625合金冶金復(fù)合管道的疲勞耐久性(S-N)試驗(yàn)

高溫高壓管道易發(fā)生大應(yīng)變整體屈曲，管道運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)停、再啟動(dòng)循環(huán)操作會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生低頻、大應(yīng)變疲勞，酸性腐蝕介質(zhì)環(huán)境與低頻、大應(yīng)變疲勞的協(xié)同作用在海底管道上產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕疲勞，而迄今為止，冶金復(fù)合管道的腐蝕疲勞性能受復(fù)合材料、酸性環(huán)境嚴(yán)重程度、大應(yīng)變水平和加載頻率等因素影響，業(yè)界無(wú)論國(guó)際、國(guó)內(nèi)均無(wú)規(guī)范可循。

為此，通過(guò)試驗(yàn)確定CRA冶金復(fù)合管道在強(qiáng)酸性環(huán)境中受低頻高應(yīng)力幅值循環(huán)載荷作用下的S-N疲勞曲線，得出相對(duì)于純碳鋼材料在空氣介質(zhì)中的疲勞性能折減因數(shù)(Knock-Down Factor，KDF)，用于管道在低頻循環(huán)操作載荷下發(fā)生大應(yīng)變側(cè)向屈曲時(shí)的S-N疲勞校核。值得關(guān)注的是625合金冶金復(fù)合管道的疲勞耐久性(S-N)試驗(yàn)的疲勞失效應(yīng)當(dāng)以CRA冶金復(fù)合層的破斷為判斷準(zhǔn)則。NFA項(xiàng)目得到的625合金冶金復(fù)合管道的疲勞耐久性(S-N)試驗(yàn)如圖1所示：基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出項(xiàng)目酸性介質(zhì)環(huán)境真實(shí)疲勞性能折減因數(shù)約1.3，優(yōu)于DNV GL-RP-C203[3]中用于疲勞S-N校核的E曲線。

圖1 625合金冶金復(fù)合管道的疲勞耐久性(S-N)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 625合金冶金復(fù)合管道疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)

對(duì)采用Inconel 625合金做焊材的20英寸(1英寸=0.025 4 m)625合金管道(鎳基合金層厚度為3 mm)的焊接接頭進(jìn)行1.00 Hz、0.30 Hz、0.03 Hz和0.01 Hz下的裂紋擴(kuò)展速率頻率掃描試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果判定625合金管道焊縫接頭的裂紋擴(kuò)展速率沒(méi)有呈現(xiàn)隨環(huán)境載荷作用頻率下降而增加的趨勢(shì)。保守起見(jiàn)，選擇0.20 Hz恒定頻率作為后續(xù)裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)的載荷作用頻率。

裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)結(jié)果(da/dN-ΔK關(guān)系曲線，ΔK為裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值)如圖2所示。圖2同時(shí)顯示了BS7910[4]中空氣中碳鋼的裂紋擴(kuò)展規(guī)律Paris公式的上限(基于平均值+2倍標(biāo)準(zhǔn)差)曲線，以方便對(duì)比得出本項(xiàng)目酸性介質(zhì)環(huán)境下CRA冶金復(fù)合海底管道焊接接頭裂紋擴(kuò)展速率的放大或縮減因數(shù)。為了便于得出規(guī)律，將試驗(yàn)結(jié)果采用與BS7910中裂紋擴(kuò)展規(guī)律Paris公式相同的梯度進(jìn)行擬合，得出空氣中和酸性介質(zhì)環(huán)境下疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)規(guī)律Paris公式，擬合結(jié)果如表1所示。

圖2 空氣和酸性介質(zhì)環(huán)境中625冶金復(fù)合管道焊接接頭的裂紋擴(kuò)展速率曲線

表1 裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)線性擬合結(jié)果及與BS7910標(biāo)準(zhǔn)曲線的對(duì)比

由表1和圖2可知：625合金材料在空氣中和酸性介質(zhì)環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率均低于BS7910中碳鋼在空氣中上限裂紋擴(kuò)展速率，分別是BS7910中碳鋼在空氣中上限裂紋擴(kuò)展速率的0.25和0.44倍。保守起見(jiàn)，仍采用BS7910中碳鋼在空氣中的上限裂紋擴(kuò)展速率的Paris公式進(jìn)行本項(xiàng)目操作期ECA評(píng)估。同時(shí)由表1最后一列可知，本項(xiàng)目625合金材料在酸性介質(zhì)環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率比空氣中的裂紋擴(kuò)展速率放大約1.75(<2.00)倍。

2 強(qiáng)酸性環(huán)境下海底管道整體屈曲所致腐蝕疲勞校核

2.1 項(xiàng)目概述

NFA項(xiàng)目20英寸海底管道為625合金冶金復(fù)合管道，設(shè)計(jì)壽命為30 a，強(qiáng)酸性環(huán)境，設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度分別為34.5 MPa和101 ℃。每年海底管道關(guān)停8次，包括7個(gè)短期部分關(guān)停+1個(gè)延長(zhǎng)關(guān)停，且每6年1次徹底關(guān)停。在部分關(guān)停時(shí)，海底管道內(nèi)余壓為25 bar(1 bar=0.1 MPa)；在徹底關(guān)停時(shí)，海底管道完全泄壓。有限元計(jì)算分析顯示，海底管道在路由彎曲段存在側(cè)向屈曲，若不采取側(cè)向屈曲控制措施，海底管道側(cè)向屈曲后軸向應(yīng)變峰值將達(dá)0.31%，超出DNV GL-ST-F101[5]規(guī)范允許的應(yīng)變限值?？紤]路由彎曲段不宜安裝垂向屈曲誘發(fā)裝置即支墩，且安裝支墩易產(chǎn)生段塞流所致的海底管道疲勞問(wèn)題，最終采用如圖3所示的海底管道側(cè)向屈曲誘發(fā)措施，即在海底管道里程標(biāo)960～1 080 m共10根連續(xù)焊接的海底管道上局部去除混凝土配重、減輕海底管道水下重量，從而誘導(dǎo)海底管道在設(shè)計(jì)位置發(fā)生可控的側(cè)向屈曲，以釋放海底管道屈曲能量。在采用相應(yīng)側(cè)向屈曲控制措施后，海底管道上的相關(guān)受力狀態(tài)如圖4和圖5所示，經(jīng)校核，均滿足DNV GL-ST-F101和DNV GL-RP-F110[6]的局部屈曲極限狀態(tài)校核。同時(shí)可見(jiàn)操作期最大拉應(yīng)變?yōu)?.22%。

圖3 海底管道路由局部去除混凝土配重以誘發(fā)海底管道局部屈曲

圖4 海底管道整體屈曲后不同管土相互作用組合下的有效軸向力

圖5 受控狀態(tài)下發(fā)生屈曲的拉、壓應(yīng)變狀態(tài)(基于軸向平均等效摩擦因數(shù)和側(cè)向上限等效摩擦因數(shù)組合)

2.2 海底管道全壽命腐蝕疲勞校核流程

NFA項(xiàng)目海底管道全壽命期間共發(fā)生245次關(guān)停。對(duì)設(shè)計(jì)壽命期間發(fā)生的關(guān)停、重啟動(dòng)循環(huán)進(jìn)行疲勞校核，流程如下：

(1) 側(cè)曲設(shè)計(jì)為疲勞試驗(yàn)和ECA評(píng)估提供不同關(guān)停情況下的峰值應(yīng)變、循環(huán)應(yīng)力幅值等輸入；

(2) 盡快啟動(dòng)環(huán)焊縫焊接接頭的疲勞試驗(yàn)，以確定管道焊縫處材料的S-N疲勞曲線和裂縫擴(kuò)展速率曲線；

(3) 進(jìn)行S-N疲勞校核和ECA評(píng)估，得出基于ECA的可接受環(huán)焊縫焊接缺陷尺寸。

如果依據(jù)側(cè)曲產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力和峰值應(yīng)變?cè)u(píng)估出的ECA結(jié)果(即允許的環(huán)焊縫焊接缺陷尺寸)可以被焊接和檢驗(yàn)方接受，則側(cè)曲疲勞校核視為滿足要求，側(cè)曲控制方案可以接受；否則，側(cè)曲疲勞校核視為不滿足要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化側(cè)曲控制方案。如此，重復(fù)上述過(guò)程(1)和(3)，直至側(cè)曲產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力和峰值應(yīng)變?cè)u(píng)估出的ECA結(jié)果能夠被焊接和檢驗(yàn)方所接受。

2.3 耐久性疲勞校核

海底管道焊縫根部和端帽的疲勞校核分別遵循DNV GL-RP-C203的空氣中E曲線和海水中帶陰極保護(hù)的E曲線，考慮酸性介質(zhì)環(huán)境對(duì)CRA冶金復(fù)合海底管道的疲勞性能有折減，已在第1.1節(jié)通過(guò)試驗(yàn)建立本項(xiàng)目CRA冶金復(fù)合海底管道酸性介質(zhì)環(huán)境的疲勞性能折減因數(shù)為1.3，則疲勞損傷計(jì)算式為

(1)

式中：i為疲勞應(yīng)力幅值的組數(shù)編號(hào)；Δσi為第i組疲勞應(yīng)力幅值；ni為對(duì)應(yīng)于第i組疲勞應(yīng)力幅值的總循環(huán)次數(shù)；FKD為酸性介質(zhì)環(huán)境疲勞折減因數(shù)；FSC為應(yīng)力集中因數(shù)；lga1為材料S-N曲線與lgN軸的截距；m1為材料S-N曲線的反斜率。

海底管道整個(gè)壽命周期內(nèi)的疲勞損傷都應(yīng)考慮在內(nèi)，包括安裝期、在位期和操作期。10%的疲勞損傷分別預(yù)留給安裝期和在位期；操作期內(nèi)由于關(guān)停、重啟動(dòng)發(fā)生的疲勞損傷按規(guī)范考慮相應(yīng)安全因數(shù)后的最大允許疲勞損傷為13.3%。NFA項(xiàng)目中考慮不同管-土相互作用組合、CRA冶金復(fù)合海底管道側(cè)屈位置在循環(huán)關(guān)停、重啟動(dòng)操作過(guò)程中焊縫根部和端帽的最大累積疲勞損傷分別為2.3%和1.5%，小于最大允許的13.3%，結(jié)果可以接受，證明所采用的側(cè)屈抑制措施是有效、可以接受的。

2.4 基于ECA的CRA冶金復(fù)合管道疲勞校核

考慮DNV GL-ST-F101規(guī)范Appendix E中表E-1全自動(dòng)超聲波檢測(cè)(Automatic Ultrosonic Testing，AUT)的Workmanship 接受準(zhǔn)則對(duì)酸性介質(zhì)環(huán)境管道和CRA冶金復(fù)合管道不適用，因此需要基于斷裂力學(xué)分析進(jìn)行項(xiàng)目ECA評(píng)估以得出AUT焊接檢驗(yàn)的缺陷接受標(biāo)準(zhǔn)或者驗(yàn)證規(guī)范接受準(zhǔn)則的適用性。由于NFA項(xiàng)目海底管道操作期整體屈曲(內(nèi)部超壓狀態(tài))產(chǎn)生的軸向應(yīng)變小于0.30%，同時(shí)項(xiàng)目管道焊接接頭強(qiáng)度經(jīng)拉伸試驗(yàn)證實(shí)滿足與母材的超強(qiáng)匹配，因此可忽略雙軸向載荷對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，從而接受傳統(tǒng)ECA評(píng)估方法；否則需要進(jìn)行三維實(shí)體斷裂力學(xué)有限元分析以確定焊接缺陷的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

NFA項(xiàng)目進(jìn)行的冶金復(fù)合管道環(huán)焊縫ECA評(píng)估基于BS7910:2013+A1:2015 Option 2開(kāi)展，同時(shí)考慮撕裂分析。ECA整個(gè)評(píng)估流程如下：

(1) 安裝期動(dòng)態(tài)疲勞裂紋擴(kuò)展；

(2) 安裝期靜態(tài)撕裂；

(3) 操作期疲勞裂紋擴(kuò)展；

(4) 操作期靜態(tài)撕裂。

本項(xiàng)目ECA評(píng)估基于海底管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和第2節(jié)所述焊接接頭的一系列腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)在分析中，保守起見(jiàn)：考慮了上限的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線、下限的J-R斷裂抗力曲線、上限的裂紋擴(kuò)展速率Paris公式、安裝期和操作期縱向拉應(yīng)變峰值(分別為0.212%和0.220%)、安裝期和操作期循環(huán)疲勞應(yīng)力等。ECA評(píng)估中考慮沿環(huán)焊縫厚度上4種不同類型的缺陷，包括：外表面(焊縫端帽處)開(kāi)口缺陷、內(nèi)表面(焊縫根部)開(kāi)口缺陷、剛好在CRA冶金復(fù)合層之上的內(nèi)置缺陷、焊縫填充焊內(nèi)置缺陷。同時(shí)ECA程序運(yùn)行期間對(duì)外表面(焊縫端帽處)開(kāi)口缺陷和內(nèi)置缺陷最大容許高度和長(zhǎng)度進(jìn)行限制，其中缺陷最大高度取25%全壁厚、最大長(zhǎng)度取25%管道周長(zhǎng)；對(duì)于內(nèi)表面(焊縫根部)開(kāi)口缺陷，需要滿足在設(shè)計(jì)壽命末期，裂紋擴(kuò)展不能超過(guò)CRA冶金復(fù)合層的厚度，即3 mm。最終NFA項(xiàng)目ECA分析定義的AUT檢測(cè)的容許焊接缺陷尺寸如表2所示，同時(shí)表2對(duì)項(xiàng)目ECA評(píng)估結(jié)果和DNV GL-ST-F101規(guī)范Appendix E中表E-1基于Workmanship 定義的AUT檢測(cè)容許焊接缺陷尺寸進(jìn)行對(duì)比。由表2可知，項(xiàng)目ECA評(píng)估定義的容許焊接缺陷尺寸顯著大于規(guī)范定義的Workmanship容許缺陷尺寸，如此，項(xiàng)目ECA評(píng)估驗(yàn)證了DNV GL-ST-F101規(guī)范Appendix E中表E-1 AUT檢測(cè) Workmanship 接受準(zhǔn)則在本項(xiàng)目的適用性；否則，則應(yīng)執(zhí)行ECA評(píng)估結(jié)果，即項(xiàng)目執(zhí)行的容許缺陷尺寸需遵循ECA評(píng)估結(jié)果和規(guī)范Workmanship準(zhǔn)則二者之中更為嚴(yán)格的一方。

3 結(jié) 論

(1) 高溫高壓、強(qiáng)酸性介質(zhì)環(huán)境中的CRA冶金復(fù)合管道在操作期關(guān)停、重啟動(dòng)期間發(fā)生循環(huán)的大應(yīng)變側(cè)向屈曲時(shí)，需要采用項(xiàng)目采辦的管材、項(xiàng)目實(shí)際環(huán)焊縫焊接工藝完成的焊接接頭進(jìn)行酸性環(huán)境腐蝕疲勞試驗(yàn)，以建立CRA冶金復(fù)合管道酸性介質(zhì)環(huán)境耐久性疲勞折減因數(shù)和疲勞裂紋擴(kuò)展速率Paris公式，用于管道最終的疲勞極限狀態(tài)校核，其中：基于斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展疲勞校核(即ECA評(píng)估)驗(yàn)證了規(guī)范中WorksmanshipAUT檢驗(yàn)接受準(zhǔn)則在項(xiàng)目的適用性，確立了項(xiàng)目CRA冶金復(fù)合管道環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲波AUT檢驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，ECA評(píng)估也最終決定了管道側(cè)向屈曲的抑制措施設(shè)計(jì)是否得當(dāng)。

(2) 冶金復(fù)合海底管道側(cè)曲控制優(yōu)化設(shè)計(jì)將海底管道軸向峰值應(yīng)變由原來(lái)0.31%降低至0.22%(0.25%以下)，最終ECA可以接受采用傳統(tǒng)的BS7910 Option 2的方法進(jìn)行，避免了三維實(shí)體斷裂力學(xué)有限元分析；同時(shí)ECA定義的焊接缺陷尺寸顯著大于規(guī)范定義的Workmanship可接受缺陷尺寸，證明規(guī)范Workmanship可接受缺陷尺寸在本項(xiàng)目的適用性，避免了側(cè)屈高拉應(yīng)變情況導(dǎo)致焊接缺陷驗(yàn)收需要采用更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，顯著地提高海上焊接效率，為項(xiàng)目后期焊接和檢驗(yàn)實(shí)施創(chuàng)造有利的條件。