海底油气外输管线焊接接头缺陷的eca评估

海底油气外输管线焊接接头缺陷的eca评估

0环境分析主要关注对一种结构的安全性评价原油长距离输送管道是一种典型的焊接结构。在铺设阶段和随后的服务过程中，存在各种焊接缺陷和变形。由于该类管线通常处于复杂的受力状态(重力、各种压力等静态力,机械振动、海水反复冲击等动态力,台风等不可预知的外力)和恶劣的周围腐蚀性环境(大气腐蚀、海水腐蚀等)中,缺陷一旦产生,就有促使其扩展至管线发生塌陷、泄漏甚至断裂事故的可能性,从而造成极大的经济损失和重大的海洋环境污染事故。因此,对这类焊接结构的安全性加以正确评价是十分必要的。旅顺至大连间海底外输管线铺设总长度约59.2km,最大水深约33m,所用材料为API-5LX56,管道外径为324mm,壁厚为12.7mm.进行断裂和疲劳ECA评估的目的是通过分析管线铺设阶段焊接接头处缺陷在承受静态铺设应力、动态循环应力、残余应力等作用下,估计出基于DNV远洋标准的无损检测条件下,不同缺陷类型、位置及不同错边量状态下管线焊接接头处缺陷的断裂临界尺寸大小及寿命。1评判机关分级英国标准BSIPD-6493于2000年颁布了其修订版,改代号为BS7910∶1999。标准中将断裂评定共分3个等级,选用何种级别与所选材料、可提供的相关数据以及精确程度有关,等级越高,评定所需要的力学性能数据越多,相应评定精确度越高,但评定结果的保守性却越低。标准中,针对含缺陷结构受循环载荷作用时的疲劳性能评定提出了2种方法,即通过对裂纹扩展速率进行积分得到结构寿命的断裂力学评定法和依据含缺陷构件实际S-N曲线与要求S-N曲线相比较的质量分类评定法。1.1断裂性能评价基于断裂力学理论,依据“合于使用”原则,BS7910标准应用断裂评定曲线FAD(failureassessmentdiagram)作为防止含缺陷结构发生弹塑性断裂的评定准则,FAD图的纵轴是施加载荷与断裂阻力的比值,FAD图的横轴是施加载荷与引起塑性破坏的极限载荷之比值。基于用户要求及管线钢良好的韧性,选用BS7910三级评定规程进行断裂性能评价。三级评定也称塑性撕裂评定,该评定级别主要适用于奥氏体钢和铁素体钢等韧性材料。三级评定按材料性能数据的详细程度及所选用评定参量的不同可分为FAD3A、FAD3B及FAD3C.1.1.1材料再生以来的初步稳定性fad3A级评定规程适用于各类材料,评定时无需得到材料的应力-应变关系数据。其评定曲线方程为{√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图中对应不同的截止线。当Lr=1.0时,曲线方程为√δr或Kr={1+EεL/σuy+1/[2(1+EεL/σuy)]}-0.5,Lr=1(2)式中:εL为Lüders平台的估计长度,εL=0.0375(1-σuy/1000);σuy为屈服强度的上限值。对于Kr或√δr=√δr(Lr=1)L(Ν-1)2Νr,Lr>1式中N为由σs/σu得出的应变硬化指数,N=0.3(1-σy/σu)。1.1.2工程应力-应变关系曲线3B级评定需要的数据量较3A级评定大大增加,评定中不仅应提供材料屈服强度下限值、抗拉强度值、杨氏模量,还应当得到确切的应力-应变关系。因此,采用该级评定方法所得到的结果通常要比3A级更准确,但不适用于焊接热影响区缺陷的评定。在3B级评定中,建议工程应力-应变关系曲线在施加应力(σ)与屈服强度(σy)比值点σ/σy=0.7,0.9,0.98,1.0,1.02,1.1,1.2…直到σn(增量为0.1)时准确测定,并通过式(3)描述评定曲线。{√δr或Κr=(EεrefLrσs+L3rσs2Eεref)-0.5‚Lr≤Lrmax√δr或Κr=0‚Lr＞Lrmax(3)式中εref为对应于由拉伸应力应变曲线得到的真应力Lrσs时的真应变值。横坐标Lr表达式为Lr=σref/σs(4)1.1.3裂纹体拉格兰斯r3C级评定所采用的评定曲线见式(5),也称J曲线,即{Κr=(Je/J)1/2‚Lr≤LrmaxΚr=0‚Lr＞Lrmax(5)式中:Je,J分别为对特定材料和结构形式下裂纹体在不同载荷下经弹性和弹塑性分析得到的J积分值。1.2裂纹扩展速率首先将实际缺陷理想化为尖锐的裂纹,然后采用断裂力学中的裂纹扩展速率定律从初始裂纹ai到临界裂纹af进行积分,得到裂纹的扩展寿命N.若N已达到设计寿命而裂纹尚未扩展到极限裂纹尺寸,则该缺陷ai可以接受,反之则不能接受。疲劳裂纹扩展速率为dadΝ=A(ΔΚ)m(6)式中:A和m为由材料、加载环境、循环频率决定的常数;ΔK为应力强度因子范围,ΔΚ=Y(Δσ)√πa.从ai扩展到af的疲劳寿命N为∫aiafdaYm(πa)m/2=A(Δσ)mΝ(7)BS7910标准中推荐了几种裂纹扩展速率,根据不同的材料、强度及使用环境可以查出相应的常数m、A和门槛值ΔK0。2位置和限制2.1焊外表面裂纹评定中认为裂纹位于3个特定位置,即热影响区表面裂纹、热影响区中的埋藏裂纹、焊缝埋藏裂纹。具体位置见图1。选取位于焊趾处外表面裂纹进行分析,因为这种情况代表了裂纹初始扩展的最危险情况。对于埋藏裂纹而言,评定中通常的惯例是选择韧带尺寸与1个或2个焊珠高度相当的做法。由于管道壁厚为12.7mm,所以采用6层焊缝,其中第5层和第6层为盖帽焊缝,焊珠的高度近似估计为2.5mm.2.2裂动能k因子之间的约束度因子根据SINTAP的相关研究结果,裂纹尖端张开位移δ和启裂驱动力K因子之间的约束度因子取值为1.5。这是因为管道在铺设过程中优先受拉伸应力的影响,结构的“有效”断裂韧度将高出通过标准的三点弯曲加载(SENB)试件所测得的值。2.3缺陷评定方法由三级评定适用范围可知,焊趾处的表面裂纹和热影响区中的埋藏裂纹因无法获得缺陷所处位置材料的确切应力-应变关系曲线,故选用3A评定方法;而位于焊缝中的埋藏裂纹则应当选用3B级评定规程。由于一定缺陷尺寸条件下J积分参量的获得通常需要复杂的有限元数值计算,致使其广泛应用变得异常困难。3错误评估和疲劳试验的参3.1材料的基本力学性能数据3.1.1基本力学性能由缺陷所处位置,通过拉伸试验得到室温下API-5LX56钢母材和焊缝的基本力学性能数据(见表1)及应力-应变关系曲线,并确定3A、3B评定曲线,如图2所示。3.1.2—材料断裂韧度断裂韧度试验采用带单边预制疲劳裂纹的标准三点弯曲试样。试验严格按照英国标准BS7448—1997-Part4,采用多试样法且在-5℃进行。通过将各试样所测取的数据点拟合,绘制出焊缝和热影响区材料的δ-R阻力曲线,并根据曲线方程确定了焊缝和热影响区的启裂CTOD值δ0.2分别为0.308mm和0.324mm.3.2管道安装阶段的压力3.2.1最大静态铺设应力COOEC提供的水深分别为15m和33m时的最大静态铺设应力如表2所示。基于材料性能和水深因素考虑,决定对以上2种存在最大应力情况进行ECA评估,以得到2种极限应力状态下的允许裂纹尺寸。3.2.2主被动参数的确定在管线安装过程中,除了承受静态铺设应力外,还受到由波浪引起的动载荷影响,该动载荷在环焊缝截面上产生循环应力。动态应力可由动态因子Q来表征:Q=ME/MF式中:ME为特征动态弯矩;MF为特征静态弯矩。Q的取值分别为0、15%和25%。评定中取导致疲劳裂纹扩展的最危险情况,即Q=25%。分析结果表明:最大应力通常出现在支管架(Stinger)处,且33m水深处的应力幅值为58.75MPa,假定对称加载,则循环应力为117MPa;由同样分析得到15m水深处的应力幅值为50.225MPa,对称加载的循环应力是100.45MPa.3.2.3残余应力的计算管线焊后通常要对接头进行消应力热处理,并在使用前进行水压试验,因此,评定中残余应力可依据BS7910标准中的相关规定取值。处于较高水平一次应力作用下的均匀拉伸屈服残余应力Qm为Qm=(1.4-σrefσ′f)σ′y(8)式中:σref为参考应力;σ′y为试验温度下的屈服强度;σ′f为流变应力。3.2.4不同管道壁厚间的应力集中评定在求解容许裂纹尺寸的分析过程中,分别考虑无错边、典型错边和最大错边3种情况。依据DNV标准中关于光学检测标准和环焊缝的表面检查方法,最大可容许的错边量emax取0.15t(t为管线壁厚)与3mm间的较小值,为保守起见,该次评定emax取值为0.15t.错边引起应力集中的影响因子计算式为km=1.0+2.6etthin[11+0.7(tthicktthin)1.4](9)式中tthick和tthin分别为两对接管道的壁厚。根据DNVOS-F101的规定,其值可与名义管道壁厚存在±12.5%的偏差。当存在最大允许错边时,km取最大值1.22;典型错边时,km为1.15;对于不存在错边的情况,km取1.0。在分析过程中,错边的影响通过作用于管道壁厚方向上的局部弯曲应力pb=(km-1)pm加以考虑。3.2.5资料处理和求解应力当表面裂纹位于局部应力集中区(例如焊趾)时,计算应力强度因子KI必须考虑局部应力区的影响。BS7910附录M5中给出了膜应力和弯曲应力Mk因子求解表达式。Mk因子的求解公式是通过有限元分析得到的,当z=0.15mm时,Mk取得最大值。Mk因子的取值在该最大值和1.0之间变化。求解Mk见式(10):Μk=v(z′B)ω(10)式中:v和ω由查表得到;B为壁厚;z为从平板表面沿垂直方向测量的距离。3.2.6环向直接同环参考应力是采用FAD法进行评定中必须计算的参量,BS7910中关于管道环向表面裂纹的参考应力求解方法为{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为一次膜应力,MPa;ri和r分别为管道的内半径和平均半径;a为裂纹深度;c为裂纹半长。环向埋藏裂纹的参考应力:{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为裂纹深度,mm;c为裂纹半长,mm;p为韧带尺寸,mm;B为壁厚,mm;W为管道的周长,mm,对于直径为323.9mm的管线,W=1015mm.3.2.7安全因素和缺陷尺寸的适应性差三级评定考虑采用局部安全因子,BS7910给出了对应于不同目标失效概率水平的一系列局部安全因子值,如表3所示。3.3“有拉紧器”到“海床”的管线由COOEC提供的数据得知,管线铺设过程中的浪高Hs=2.0m,海浪周期Ts=7s,每个管段长12.192m,在每个站点铺设的时间是1763.3s(24h铺设50根钢管)。33m水深工况下,从拉紧器到海床之间的管线总长约237m,共有19.4根管,总安装时间是34208s,则这段时间对应着4887次海浪循环。15m水深工况下,从拉紧器到海床之间的管线总长是约180m,共有14.76根管,总安装时间是26026s,则这段时间对应着3718次海浪循环。疲劳评定中选用BS7910推荐的钢材空气介质、两阶段疲劳裂纹扩展规则的上限值,见表4。4评估结果4.1断裂极限的裂缝尺寸通过以上参量计算所得到的结果,计算得到不同水深、不同缺陷位置、不同错边量条件下裂纹临界尺寸分别如图3～图5所示。4.2疲劳寿命的确定通过对管线焊接接头的断裂分析得到缺陷的极限允许尺寸大小。则缺陷受循环载荷从初始尺寸按一定的速率和规则扩展到极限尺寸的时间即为疲劳寿命。在此以33m水深、管线跨距为40m、错边量e=0.15t为例,对10年间最大应力的热影响区表面缺陷进行疲劳裂纹扩展寿命评估。4.2.1已知数据(1)管道尺寸半径r=279.4mm;截面厚度B=12.7mm;(2)初始尺寸深度a0=0.464mm;缺陷长度2c0=318.2mm;(3)机械能力屈服强度σy=448MPa;抗拉强度σu=530MPa;(4)载荷谱一个Blocks的应力循环载荷谱见表