含凹痕缺陷海底管道剩余強(qiáng)度評(píng)估推薦方法

李麗瑋，劉國恒，劉曉霞

（中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028）

海底油氣管道是海洋油氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞街?，為海洋油氣田的生命線。隨著我國海洋油氣開發(fā)工程高速發(fā)展，海底油氣管道在役、在建的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國海底管道累計(jì)長(zhǎng)度已超過了5000km。由于海洋環(huán)境的惡劣以及其他不穩(wěn)定因素，海底管道經(jīng)常會(huì)發(fā)生多種故障。根據(jù)國內(nèi)管道失效狀況的調(diào)研統(tǒng)計(jì)，機(jī)械損傷往往是導(dǎo)致油氣管道故障的主要因素。管道投產(chǎn)運(yùn)行中，有可能遭遇船舶錨擊、漁船拖網(wǎng)、平臺(tái)落物、船舶誤操作碰撞以及挖沙等作業(yè)造成損傷[2]。機(jī)械損傷作業(yè)造成管道典型的故障形式有裂紋、凹痕以及劃痕。這些缺陷的存在降低了海底管道的強(qiáng)度，對(duì)管道的安全運(yùn)行產(chǎn)生隱患。本文通過對(duì)國際規(guī)范的對(duì)比分析，推薦運(yùn)行海底管道局部凹痕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)估推薦方法。

1 凹痕缺陷海底管道剩余強(qiáng)度評(píng)估規(guī)范對(duì)比研究

國外早在20世紀(jì)80年代就已開始對(duì)管道機(jī)械損傷進(jìn)行研究，先后提出了疲勞壽命模型，進(jìn)行了一系列含有凹痕的管道全尺寸試驗(yàn)，用以研究凹痕對(duì)管道運(yùn)行壽命的影響，并得知在循環(huán)壓力的作用下，凹痕受壓力，凹痕永久復(fù)原的程度也不相同[3]。研究表明管道的凹痕是管道圓形截面永久性的塑性變形?？煞譃槲孱悾?1)平滑型凹痕：管道曲率發(fā)生平滑改變；(2)扭結(jié)型凹痕：管道曲率發(fā)生突變，突變處曲率半徑小于五倍管道壁厚；(3)普通型凹痕：無壁厚損失的缺陷和一些焊縫缺陷等；(4)無約束型凹痕：當(dāng)引起凹痕的外力消失后，凹痕可以自由地恢復(fù)、反彈，隨著內(nèi)壓的改變，管道截面可以自由恢復(fù)圓形；(5)約束型凹痕：引起凹痕的外力一直存在，使得凹痕無法自由反彈或恢復(fù)圓形[4]。

圖1 凹痕形狀

圖2 凹痕尺寸

截止目前為止，國內(nèi)對(duì)管道械損傷還沒有一個(gè)系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)，還沒有全面預(yù)防及評(píng)估機(jī)械損傷的方法。目前行業(yè)中的做法是根據(jù)凹痕深度定性判斷是否維修，國外對(duì)此已經(jīng)形成了相關(guān)的指導(dǎo)文件，用于評(píng)估含凹痕缺陷管道的剩余強(qiáng)度，安全評(píng)估的方法和規(guī)范主要有DNV RP F107、PDAM、API RP 579，其區(qū)別在于不同規(guī)范對(duì)于凹痕深度的允許值有所區(qū)別[4]。不同規(guī)范主要內(nèi)容及適用性見表1。

表1 海底管道凹痕缺陷安全評(píng)估的方法和規(guī)范比較

1.1 DNV-RP-F107

DNV-RP-F107系統(tǒng)介紹了海底管道投產(chǎn)運(yùn)行期間的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，認(rèn)為當(dāng)凹痕深度小于5%管徑時(shí)，不用維修，當(dāng)凹痕深度大于5%管徑時(shí)，建議修復(fù)，并給出泄漏概率[5]。鋼質(zhì)海管及立管損傷及泄漏概率見表2。

表2 鋼質(zhì)海管及立管損傷及泄漏概率

備注：D1：小型損傷；D2：中度損傷；D3：嚴(yán)重?fù)p傷；R0：無泄漏；R1：小型泄漏（破損孔徑＜80mm）；R2：嚴(yán)重泄漏。

表2指出了當(dāng)凹痕深度達(dá)到管道直徑10%-15%時(shí)，中度損傷概率75%，嚴(yán)重?fù)p傷概率25%；不泄漏概率75%，小型泄漏概率20%，嚴(yán)重泄漏概率5%。

1.2 PDAM

PDAM（管道缺陷評(píng)估手冊(cè)）中共統(tǒng)計(jì)了75組實(shí)驗(yàn)，其中4次失效，公開數(shù)據(jù)中僅給出了凹痕深度與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)壓力，如圖3?？偨Y(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)壓力達(dá)到85%-160%(SMYS×2t)/D，凹痕深度小于10%時(shí)管道都未發(fā)生爆裂，即PDAM指出普通型凹痕（遠(yuǎn)離焊縫區(qū)）對(duì)管道爆裂強(qiáng)度無顯著影響[3]。焊縫區(qū)普通型凹痕壓力試驗(yàn)顯示僅有7次未失效，如圖4中虛線圈出的工況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，PDAM對(duì)于焊縫區(qū)凹痕是無法進(jìn)行強(qiáng)度分析的。

圖3 凹痕損傷管道爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)（遠(yuǎn)離焊縫）

圖4 凹痕損傷管道爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)（焊縫區(qū)）

1.3 API

API 579中關(guān)于含凹痕、溝槽以及組合缺陷的管道的評(píng)估分為三級(jí)，對(duì)于凹痕深度大于7%管徑的缺陷可執(zhí)行三級(jí)評(píng)價(jià)，運(yùn)用有限元分析方法對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)估[6]。API 579評(píng)估流程如圖5所示。

（1）一級(jí)評(píng)價(jià)

管道缺陷位置遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)主體非連續(xù)區(qū)，缺陷到焊縫的距離滿足相關(guān)要求。管道不受周期性壓力影響，最大凹痕深度限制在管道外徑的7%范圍內(nèi)。

凹痕位置要求：

其中：Lmsd為缺陷至結(jié)構(gòu)非連續(xù)區(qū)的最小距離；D為管道名義外徑；tc為遠(yuǎn)離局部金屬損失區(qū)的管道均勻腐蝕壁厚；Lw為缺陷至最近焊縫的距離，ddp為管道受壓力作用時(shí)凹痕深度。

（2）二級(jí)評(píng)價(jià)

凹痕缺陷的二級(jí)評(píng)價(jià)考慮周期性壓力載荷作用產(chǎn)生的管道疲勞損傷影響，管道可接受的壓力循環(huán)次數(shù)為Nc，如果Nc大于等于管道預(yù)期使用年限內(nèi)壓力循環(huán)次數(shù)總和，則管道可繼續(xù)使用，否則不滿足二級(jí)評(píng)價(jià)要求。

其中，Nc為管道可接受的壓力循環(huán)次數(shù)；σuts為最小極限拉伸強(qiáng)度；σA為修正過的周期性環(huán)向膜應(yīng)力幅值；Kd為計(jì)算凹痕時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)；Kg為計(jì)算溝槽時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)；σa為周期性環(huán)向膜應(yīng)力幅值；Cs為凹痕疲勞計(jì)算系數(shù)；dd0為管道不受壓時(shí)的凹痕深度；Cul為轉(zhuǎn)換因子，dd0單位為毫米時(shí)，Cul=1.0

2 算例

評(píng)估管道直徑為711mm，壁厚為17.1mm，設(shè)計(jì)壓力為15.5MPa，管線設(shè)計(jì)年限為40年。假設(shè)管道在某段處發(fā)生鉤掛，且該管段為厚壁管，壁厚為25.4mm，外防腐涂層6mm，無配重層。管道目前凹痕深度已達(dá)到管道直徑的23.9%，API 579中的一二級(jí)評(píng)價(jià)均不適用，需要開展詳細(xì)的數(shù)值模擬計(jì)算。

圖5 含凹痕缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)流程圖

2.1 有限元模型

幾何模型包含海底管道和錨兩部分。為保證錨接觸管道后，管道變形與檢測(cè)結(jié)果盡量一致，錨的形狀按照檢測(cè)的凹坑幾何形狀建立。

圖6 幾何模型

圖7 錨與凹坑縱坡面對(duì)比

ANSYS[7]程序提供了多種塑性材料選項(xiàng)，為與設(shè)計(jì)階段保持一致，基于材料延展率41%進(jìn)行計(jì)算分析，定義的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖8所示。

圖8 材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線

有限元模型，隱式算法選用SHELL181單元，LS-DYNA選用SHELL163模擬管道與錨，根據(jù)UT檢測(cè)報(bào)告，管道壁厚最小值為22.6mm，因此定義管道壁厚為22.6mm。

圖9 有限元模型

2.2 LS-DYNA分析

LS-DYNA動(dòng)力分析主要分為以下過程[8]：

（1）定義接觸

選中所有單元，創(chuàng)建PART，定義接觸采用Surface to Surface的面面接觸，靜態(tài)摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)均取0.1。

（2）施加位移載荷

為了向管道施加位移，首先需要定義時(shí)間—位移曲線，如表3所示。由于錨沿著Y軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，因此位移總是負(fù)值。

表3 載荷

（3）求解控制與求解

由于施加載荷時(shí)間為0.01s，計(jì)算求解時(shí)間定為0.1s，以觀察管道被錨砸傷產(chǎn)生凹痕后的回彈情況。

（4）殘余應(yīng)力

圖10 殘余應(yīng)力云圖

基于LS-DYNA的顯示動(dòng)力算法，計(jì)算了管道受錨鉤掛后的殘余應(yīng)力。關(guān)注點(diǎn)主要包括凹痕處最大深度和凹痕及周邊區(qū)域管道的最大應(yīng)力，經(jīng)計(jì)算殘余應(yīng)力最大值為408MPa，如圖10所示，圖11為凹痕深度隨時(shí)間的變化曲線，圖12為殘余應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。

圖11 凹痕最深處時(shí)間—位移曲線

圖12 最大應(yīng)力處時(shí)間—應(yīng)力曲線

（5）管道承壓能力

在2.2節(jié)計(jì)算的殘余應(yīng)力基礎(chǔ)上，對(duì)管道施加8MPa內(nèi)壓，計(jì)算管道的承壓能力。通過計(jì)算管道最大等效應(yīng)力為423MPa，發(fā)生在管道底部，如圖13所示。

圖13 應(yīng)力分布

2.3 校核準(zhǔn)則

設(shè)計(jì)階段通常以屈服強(qiáng)度作為校核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于等效應(yīng)力通常考慮0.9的安全系數(shù)。

另一方面，基于管道破裂試驗(yàn)，D N VRP-F101根據(jù)ASD（許用應(yīng)力設(shè)計(jì)）格式，計(jì)算出含有腐蝕缺陷管道的失效壓力（承載能力），而后再將該失效壓力乘以一個(gè)基于初始設(shè)計(jì)參數(shù)的單一安全因數(shù)。在失效壓力計(jì)算公式中引用了極限拉伸強(qiáng)度SMTS。

確定安全工作壓力的使用因數(shù)包括兩個(gè)部分：

F1=0.9（模型因數(shù)）；

F2=作業(yè)使用因數(shù)，引入此因數(shù)是為保證腐蝕缺陷的工作壓力和失效壓力之間有一個(gè)安全裕度。

用于確定安全工作壓力的總使用因數(shù)F=F1×F2。

因此在本次校核計(jì)算中分別考慮以屈服強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度作為校核標(biāo)準(zhǔn)，并且考慮相應(yīng)的安全系數(shù)，即：

(1)屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)：等效應(yīng)力應(yīng)控制在448×0.9=403MPa；

(2)拉伸強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)：等效應(yīng)力應(yīng)控制在530×0.9×0.96=457MPa。

3 結(jié)語

本文對(duì)含凹痕缺陷海底管道的剩余強(qiáng)度評(píng)估方法進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了DNV-RP-F107、PDAM和API 579規(guī)范在凹痕缺陷評(píng)估方法上的不同。經(jīng)研究，本文推薦使用API 579作為含凹痕缺陷海底管道的剩余強(qiáng)度評(píng)估方法，同時(shí)詳細(xì)介紹了API 579針對(duì)凹痕缺陷評(píng)估的三級(jí)評(píng)價(jià)方法流程，并使用算例進(jìn)行了驗(yàn)證。