海底管道裂紋損傷評估及軟件開發

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.中海油安全技術服務有限公司，天津 300452)

海底管道裂紋損傷評估及軟件開發

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.中海油安全技術服務有限公司，天津 300452)

海底管道是海上油氣資源集輸、外輸的主要手段。對于建成的海底管道，由于投產后輸送介質的變化、腐蝕、漁業捕撈、過往船只拖/拋錨等活動，使管道局部產生應力集中現象，發生裂紋并導致裂紋擴展，從而帶來油氣停產等重大經濟損失。因此對海底管道裂紋損傷強度的評估是非常重要的。介紹了通用的結構失效評估圖(FAD)技術，詳細闡述了規范BS7910—1999裂紋損傷強度評估二級評定方法的運用，并依據規范編寫了海底管道裂紋損傷強度評估系統。采用該評估系統，可快速評價已發生裂紋是否能夠繼續滿足強度要求。

海底管道；裂紋損傷；評估；結構失效評估圖；BS7910

0 引 言

海底管道故障原因多種多樣。根據對國內外現役海底管道故障原因的調查統計發現，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生的局部缺陷，在運行過程中極有可能發生裂紋擴展的現象，進而給生產運營帶來諸多影響。國際上通用的海底管道含裂紋缺陷損傷評估規范包括英國標準BS7910—1999[1]和美國石油協會(API)標準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，但兩個標準對參考應力、斷裂韌性、應力強度因子的計算以及分項安全系數的選取是有所區別的。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，適用于評估數據較少的情況；二級評估為普通評估；三級評估較為復雜，當需要考慮材料硬化指數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。基于BS7910二級評估方法，開發了海底管道裂紋損傷強度評估軟件系統，并通過評估實例證實了該系統的有效性。

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原理的結構FAD[4]。FAD的縱軸為應力強度與材料斷裂韌性的比率，代表應力強度斷裂比，橫軸為參考應力與屈服強度的比率，代表參考應力載荷比[5]。通過計算缺陷，確定缺陷斷裂比與載荷比，根據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。評估所需數據包括：管徑、壁厚；缺陷類型、位置、尺寸；應力(壓力、熱應力、殘余應力以及其他類型的載荷如彎矩、軸向力)；材料性能參數，包括屈服強度、拉伸強度、泊松比、彈性模量；材料斷裂韌性數據(可通過夏比試驗數據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向裂紋承受的主應力及二次應力大小有所區別，因此將裂紋規則化處理為軸向裂紋和環向裂紋。對于軸向裂紋，環向應力使裂紋繼續擴展；對于環向裂紋，軸向拉伸應力使裂紋繼續擴展。結合裂紋類型以及裂紋方向，為了計算裂紋的應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表示有關斷裂力學的施載條件的比率，表達形式為

(1)

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

1.2.1 應力強度因子計算

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

(2)

(Yσ)=(Yσ)p+(Yσ)s,

(3)

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

主應力分為膜應力及彎曲應力，一般表達形式為

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

(4)

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

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

圖3 不同裂紋方向對應的主應力方向Fig.3 Main stress directions of different cracks

表2 不同裂紋方向對應的主應力因素Table 2 Main stress of different crack direction

二次應力(Yσ)s同樣是計算應力強度因子的重要部分，其一般表達形式為

(Yσ)s=MmQm+MbQb,

(5)

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

二次應力主要包括溫度載荷造成的應力以及焊接殘余應力。溫度應力較易計算，管道系統規范等均給出了定量計算公式。焊接殘余應力的大小對于裂紋的影響較為重要，規范BS7910附錄Q給出了焊接結構不同方向殘余應力的計算公式以及參數的取值。

1.2.2 斷裂韌性計算

(1)在韌-脆轉變溫度的下平臺區，取下包絡線

(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，在規范API579附錄F中給出了詳細的介紹。

(2)在韌-脆轉變溫度區間用統計方法進行分析：

T0=T27J-18 ℃(標準差15 ℃),

(7)

T0=T40J-24 ℃(標準差15 ℃),

(8)

(9)

式中：T為確定Kmat時的溫度，℃；T0可根據式(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系的離散度，當標準差為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%)，除非有實驗證據證明使用高一些的值更有效；T27J及T40J在規范API579附錄F中給出了詳細的介紹。

(3)斷裂韌性上限，在韌-脆轉變溫度的上平臺區，取下包絡線

Kmat=0.54Cv+55,

(10)

式中：Kmat及Cv含義與式(6)中相同。

1.2.3 分項安全系數選取

依據可接受的失效概率以及數據的不確定性，可對輸入項進行分項安全系數修正，修正內容包括應力、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大小。針對管道的檢維修情況，給出了三種失效后果及對應的可接受失效概率。可接受失效概率依據最低合理可行(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

對于冗余結構構件和非冗余結構定義了三種失效結果，如表3所示。表中所有的數值均是單個構件的失效概率，總體目標是保護完整結構物免受損傷。

表3 目標失效概率Table 3 Target probability of failure a-1

分項安全系數不僅與目標要求的失效概率有關，還與輸入數據的分散性或者不確定性有關，這種不確定性由數據的變異系數(COV)表征[6]。對于應力、裂紋尺寸、斷裂韌性以及屈服強度的不同變異系數，得到了相應的結果。規范要求假定固定載荷應力的變異系數為0.2，變化載荷應力的變異系數為0.3，屈服強度的變異系數為0.1。規范BS7910推薦的對應最大拉伸應力、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如表4所示。

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

(續表)

注：βr表示對應失效概率的系數；NP表示沒有符合該項的數據。

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的參考應力表達式不同，BS7910附錄P給出了詳細的說明；σY為屈服強度或0.2%的彈性強度，MPa。

1.4 計算FAD

依據計算所得Kr和Lr,通過FAD判定缺陷是否可接受。

1.5 小結

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

2 海底管道裂紋評估方法對比分析

規范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，但在應力強度因子、參考應力計算表達式、斷裂韌性計算等方面有所區別。

2.1 未對齊修正對比分析

規范API579對焊縫錯位及殼體變形進行了獨立分析，通過剩余強度系數判定缺陷是否可接受，其中對因焊縫錯位或殼體變形導致的彎曲應力增大進行了詳細研究與計算，修正后的彎曲應力可作為裂紋分析過程中的主應力。然而管道焊接過程已向半自動化、自動化發展，并且建造期間對橢圓度有嚴格的控制，發生焊接錯位殼體變形的可能性很小。因此，通過對比發現，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，但大多數情況下鋼管并不進行斷裂韌性檢驗。BS7910附錄J給出了依據夏比沖擊試驗估算斷裂韌性的指導方法，指導方法給出了三種斷裂韌性與夏比沖擊試驗數據的相互關系。而API579給出的斷裂韌性與夏比試驗數據的關系更多的是依據斷裂韌性下限計算的名義斷裂韌性，因為規范在對斷裂韌性、裂紋尺寸、主應力修正時用到的分項安全系數是對應名義斷裂韌性進行設定的。當僅用斷裂韌性下限時，無需進行分項系數修正。

2.3 分項安全系數對比分析

BS7910依據可接受的失效概率以及數據的不確定性，給出了斷裂韌性、裂紋尺寸、應力大小、屈服強度的分項安全系數，考慮的失效概率分別為10-3、7×10-5、10-5三個等級。而API579僅當選用名義斷裂韌性進行分析時才考慮分項安全系數的修正，當選用斷裂韌性下限時，無需進行分項系數的修正。考慮的失效概率分別為10-2、10-3、10-6三個等級。經過對比分析得出結論，API579修正系數稍大，BS7910分項安全系數的使用更加靈活。

2.4 小結

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，但在應力強度因子、參考應力計算表達式、斷裂韌性計算等方面有所區別。經過多次評估對比發現，BS7910在焊接錯位及殼體變形的計算方法上更加簡便易行，分項安全系數的使用更加靈活；同時調研結果表明法國船級社(BV)關于裂紋的評估項目都采用BS7910來進行。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及應用案例

3.1 系統的功能及模塊組織

根據BS7910推薦的評估方法開發了海底管道裂紋損傷強度評估系統。該系統為“海底管道剩余強度分析系統”的子系統。針對裂紋損傷強度評估，共包含裂紋類型、管道尺寸、未對齊、主應力、二次應力、材料拉伸性能、韌性、敏感性/臨界狀態分析、安全系數、結果、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，輸入或選擇相關參數，軟件在“結果”界面會自動計算，并生成圖像和數據，且用戶能夠完成保存和讀取操作。圖6為裂紋評估結果界面。

圖6 評估結果界面Fig.6 Assessment result interface

3.3 應用案例

為了測試軟件的正確性及穩定性，依據BS7910對裂紋評估進行測評。

需評估的管道參數為：外徑812.8 mm；壁厚19.1 mm；外壓1 MPa，內壓5 MPa；應力集中系數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。

裂紋數據為：表面裂紋；位于內表面；軸向缺陷；長度2c=18 mm，深度a=5 mm。

軟件系統與BS7910規范計算結果對比如表5所示。其中，KI為迭代求取的最大值。

表5軟件系統與規范計算結果對比
Table5Comparisonbetweensoftwareandstandardcalculationresults

參數軟件計算值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

依據規范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，應用軟件對案例進行了詳細計算，并依據規范標準對軟件裂紋評估結果的正確性和穩定性進行了測試。測試結果顯示，軟件計算結果與規范標準計算結果基本保持一致，表明海底管道裂紋損傷評估軟件能夠為海底油氣管道機械損傷的評估提供一定的幫助。

4 結 語

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

[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] 權淑麗,張玉鳳,霍立興,等.含環向穿透裂紋海底油氣管道的安全評估[J].焊接技術,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[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構方面的研究。

TE973

A

2095-7297(2016)01-0012-08