海底油氣外輸管線焊接接頭缺陷的eca評(píng)估

0環(huán)境分析主要關(guān)注對(duì)一種結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)原油長(zhǎng)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(jī)械振動(dòng)、海水反復(fù)沖擊等動(dòng)態(tài)力,臺(tái)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(kuò)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(jì)損失和重大的海洋環(huán)境污染事故。因此,對(duì)這類焊接結(jié)構(gòu)的安全性加以正確評(píng)價(jià)是十分必要的。旅順至大連間海底外輸管線鋪設(shè)總長(zhǎng)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(jìn)行斷裂和疲勞ECA評(píng)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(dòng)態(tài)循環(huán)應(yīng)力、殘余應(yīng)力等作用下,估計(jì)出基于DNV遠(yuǎn)洋標(biāo)準(zhǔn)的無損檢測(cè)條件下,不同缺陷類型、位置及不同錯(cuò)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(píng)判機(jī)關(guān)分級(jí)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BSIPD-6493于2000年頒布了其修訂版,改代號(hào)為BS7910∶1999。標(biāo)準(zhǔn)中將斷裂評(píng)定共分3個(gè)等級(jí),選用何種級(jí)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(jí)越高,評(píng)定所需要的力學(xué)性能數(shù)據(jù)越多,相應(yīng)評(píng)定精確度越高,但評(píng)定結(jié)果的保守性卻越低。標(biāo)準(zhǔn)中,針對(duì)含缺陷結(jié)構(gòu)受循環(huán)載荷作用時(shí)的疲勞性能評(píng)定提出了2種方法,即通過對(duì)裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行積分得到結(jié)構(gòu)壽命的斷裂力學(xué)評(píng)定法和依據(jù)含缺陷構(gòu)件實(shí)際S-N曲線與要求S-N曲線相比較的質(zhì)量分類評(píng)定法。1.1斷裂性能評(píng)價(jià)基于斷裂力學(xué)理論,依據(jù)“合于使用”原則,BS7910標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用斷裂評(píng)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(píng)定準(zhǔn)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。基于用戶要求及管線鋼良好的韌性,選用BS7910三級(jí)評(píng)定規(guī)程進(jìn)行斷裂性能評(píng)價(jià)。三級(jí)評(píng)定也稱塑性撕裂評(píng)定,該評(píng)定級(jí)別主要適用于奧氏體鋼和鐵素體鋼等韌性材料。三級(jí)評(píng)定按材料性能數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度及所選用評(píng)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(jí)評(píng)定規(guī)程適用于各類材料,評(píng)定時(shí)無需得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)。其評(píng)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(duì)應(yīng)不同的截止線。當(dāng)Lr=1.0時(shí),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L(zhǎng)üders平臺(tái)的估計(jì)長(zhǎng)度,εL=0.0375(1-σuy/1000);σuy為屈服強(qiáng)度的上限值。對(duì)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(jí)評(píng)定需要的數(shù)據(jù)量較3A級(jí)評(píng)定大大增加,評(píng)定中不僅應(yīng)提供材料屈服強(qiáng)度下限值、抗拉強(qiáng)度值、楊氏模量,還應(yīng)當(dāng)?shù)玫酱_切的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。因此,采用該級(jí)評(píng)定方法所得到的結(jié)果通常要比3A級(jí)更準(zhǔn)確,但不適用于焊接熱影響區(qū)缺陷的評(píng)定。在3B級(jí)評(píng)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(qiáng)度(σy)比值點(diǎn)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(shí)準(zhǔn)確測(cè)定,并通過式(3)描述評(píng)定曲線。{√δr或Κr=(EεrefLrσs+L3rσs2Eεref)-0.5?Lr≤Lrmax√δr或Κr=0?Lr＞Lrmax(3)式中εref為對(duì)應(yīng)于由拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線得到的真應(yīng)力Lrσs時(shí)的真應(yīng)變值。橫坐標(biāo)Lr表達(dá)式為L(zhǎng)r=σref/σs(4)1.1.3裂紋體拉格蘭斯r3C級(jí)評(píng)定所采用的評(píng)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(duì)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(kuò)展速率首先將實(shí)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(kuò)展速率定律從初始裂紋ai到臨界裂紋af進(jìn)行積分,得到裂紋的擴(kuò)展壽命N.若N已達(dá)到設(shè)計(jì)壽命而裂紋尚未擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)度因子范圍,ΔΚ=Y(Δσ)√πa.從ai擴(kuò)展到af的疲勞壽命N為∫aiafdaYm(πa)m/2=A(Δσ)mΝ(7)BS7910標(biāo)準(zhǔn)中推薦了幾種裂紋擴(kuò)展速率,根據(jù)不同的材料、強(qiáng)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(píng)定中認(rèn)為裂紋位于3個(gè)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(jìn)行分析,因?yàn)檫@種情況代表了裂紋初始擴(kuò)展的最危險(xiǎn)情況。對(duì)于埋藏裂紋而言,評(píng)定中通常的慣例是選擇韌帶尺寸與1個(gè)或2個(gè)焊珠高度相當(dāng)?shù)淖龇āＳ捎诠艿辣诤駷?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(jì)為2.5mm.2.2裂動(dòng)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(dòng)力K因子之間的約束度因子取值為1.5。這是因?yàn)楣艿涝阡佋O(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(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)彎曲加載(SENB)試件所測(cè)得的值。2.3缺陷評(píng)定方法由三級(jí)評(píng)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(píng)定方法;而位于焊縫中的埋藏裂紋則應(yīng)當(dāng)選用3B級(jí)評(píng)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(jì)算,致使其廣泛應(yīng)用變得異常困難。3錯(cuò)誤評(píng)估和疲勞試驗(yàn)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(yàn)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(píng)定曲線,如圖2所示。3.1.2—材料斷裂韌度斷裂韌度試驗(yàn)采用帶單邊預(yù)制疲勞裂紋的標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣。試驗(yàn)嚴(yán)格按照英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7448—1997-Part4,采用多試樣法且在-5℃進(jìn)行。通過將各試樣所測(cè)取的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shí)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(duì)以上2種存在最大應(yīng)力情況進(jìn)行ECA評(píng)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(dòng)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(dòng)載荷影響,該動(dòng)載荷在環(huán)焊縫截面上產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力。動(dòng)態(tài)應(yīng)力可由動(dòng)態(tài)因子Q來表征:Q=ME/MF式中:ME為特征動(dòng)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(píng)定中取導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展的最危險(xiǎn)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(duì)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(duì)稱加載的循環(huán)應(yīng)力是100.45MPa.3.2.3殘余應(yīng)力的計(jì)算管線焊后通常要對(duì)接頭進(jìn)行消應(yīng)力熱處理,并在使用前進(jìn)行水壓試驗(yàn),因此,評(píng)定中殘余應(yīng)力可依據(jù)BS7910標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)溫度下的屈服強(qiáng)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(píng)定在求解容許裂紋尺寸的分析過程中,分別考慮無錯(cuò)邊、典型錯(cuò)邊和最大錯(cuò)邊3種情況。依據(jù)DNV標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于光學(xué)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)焊縫的表面檢查方法,最大可容許的錯(cuò)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(píng)定emax取值為0.15t.錯(cuò)邊引起應(yīng)力集中的影響因子計(jì)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(duì)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(dāng)存在最大允許錯(cuò)邊時(shí),km取最大值1.22;典型錯(cuò)邊時(shí),km為1.15;對(duì)于不存在錯(cuò)邊的情況,km取1.0。在分析過程中,錯(cuò)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(dāng)表面裂紋位于局部應(yīng)力集中區(qū)(例如焊趾)時(shí),計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)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(dá)式。Mk因子的求解公式是通過有限元分析得到的,當(dāng)z=0.15mm時(shí),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(cè)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(jìn)行評(píng)定中必須計(jì)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(zhǎng)。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(zhǎng),mm;p為韌帶尺寸,mm;B為壁厚,mm;W為管道的周長(zhǎng),mm,對(duì)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(jí)評(píng)定考慮采用局部安全因子,BS7910給出了對(duì)應(yīng)于不同目標(biāo)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(gè)管段長(zhǎng)12.192m,在每個(gè)站點(diǎn)鋪設(shè)的時(shí)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(zhǎng)約237m,共有19.4根管,總安裝時(shí)間是34208s,則這段時(shí)間對(duì)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(zhǎng)是約180m,共有14.76根管,總安裝時(shí)間是26026s,則這段時(shí)間對(duì)應(yīng)著3718次海浪循環(huán)。疲勞評(píng)定中選用BS7910推薦的鋼材空氣介質(zhì)、兩階段疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)則的上限值,見表4。4評(píng)估結(jié)果4.1斷裂極限的裂縫尺寸通過以上參量計(jì)算所得到的結(jié)果,計(jì)算得到不同水深、不同缺陷位置、不同錯(cuò)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(duì)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(kuò)展到極限尺寸的時(shí)間即為疲勞壽命。在此以33m水深、管線跨距為40m、錯(cuò)邊量e=0.15t為例,對(duì)10年間最大應(yīng)力的熱影響區(qū)表面缺陷進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展壽命評(píng)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(zhǎng)度2c0=318.2mm;(3)機(jī)械能力屈服強(qiáng)度σy=448MPa;抗拉強(qiáng)度σu=530MPa;(4)載荷譜一個(gè)Blocks的應(yīng)力循環(huán)載荷譜見表