鋼懸鏈線立管環(huán)焊縫ECA斷裂疲勞評(píng)估技術(shù)

(海洋石油工程股份有限公司， 天津300450)

0 引 言

鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser, SCR)概念是在20世紀(jì)90年代提出的，經(jīng)過20多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為深水開發(fā)的首選立管形式。與頂部張力立管、柔性立管相比，SCR具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、無需頂張力補(bǔ)償、對(duì)浮體的漂移運(yùn)動(dòng)和升沉運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)能力強(qiáng)、適用于高溫高壓環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。隨著深水開采活動(dòng)的大量增加，SCR必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，SCR已經(jīng)被成功應(yīng)用于多個(gè)國外項(xiàng)目中，但是在國內(nèi)鮮有實(shí)例，因此開展相關(guān)研究具有重大意義。

深水SCR由標(biāo)準(zhǔn)長度的鋼管焊接而成，雖然結(jié)構(gòu)形式比較簡單，但是其在深水服役過程中，受波浪等循環(huán)載荷的作用易產(chǎn)生疲勞失效問題。本文通過工程臨界評(píng)估(Engineering Critical Assessment, ECA)斷裂疲勞評(píng)定方法，運(yùn)用Crackwise軟件[3]，對(duì)SCR環(huán)焊縫的臨界缺陷尺寸進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，開展了臨界缺陷尺寸對(duì)兩種常見焊接缺陷(錯(cuò)邊和角變形)的敏感性分析。

1 ECA斷裂疲勞評(píng)定方法

ECA斷裂疲勞評(píng)定是建立在斷裂評(píng)定和疲勞評(píng)定的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)承受靜載荷與動(dòng)載荷情形下的評(píng)定，其本質(zhì)是將兩種情況的評(píng)定合二為一。因此，斷裂疲勞評(píng)定具體分為兩部分：疲勞裂紋擴(kuò)展與裂紋擴(kuò)展的同時(shí)對(duì)現(xiàn)行裂紋進(jìn)行斷裂安全評(píng)定，直到裂紋尺寸達(dá)到臨界值。具體來說，ECA疲勞評(píng)估是將實(shí)際缺陷理想化為尖銳的裂紋，然后用斷裂力學(xué)中的裂紋擴(kuò)展速率的定律對(duì)其從初始裂紋a0到臨界裂紋af進(jìn)行積分，得出裂紋的擴(kuò)展壽命N，如果疲勞壽命N已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)疲勞壽命而裂紋的極限尺寸還沒有達(dá)到，則該缺陷可以接受，反之則不能接受。同時(shí)，疲勞評(píng)估過程中可以得到不斷擴(kuò)展的實(shí)時(shí)裂紋值，將這些數(shù)值進(jìn)行斷裂評(píng)估，通過失效評(píng)定圖(Failure Assessment Diagram, FAD)的方法判斷裂紋是否滿足安全要求，如果擴(kuò)展過程中裂紋不安全，則終止裂紋擴(kuò)展，輸出此時(shí)的裂紋尺寸。本文將斷裂評(píng)估和疲勞評(píng)估結(jié)合起來進(jìn)行斷裂疲勞評(píng)估，具體的斷裂疲勞評(píng)估內(nèi)容可以參照?qǐng)D1的步驟進(jìn)行。考慮到立管結(jié)構(gòu)的形狀、材料和力學(xué)性能等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，本文采用適當(dāng)保守程度的BS 7910:2005 Level 2A作為斷裂評(píng)定等級(jí)。

圖1 斷裂疲勞評(píng)估步驟示例

2 評(píng)估參量確定

2.1 焊接工藝

所評(píng)估的SCR母材為X65級(jí)管線鋼，標(biāo)稱外徑為355 mm，標(biāo)稱厚度為19.1 mm，環(huán)焊縫焊接采用熔化極氣體保護(hù)焊(Gas Metal Arc Welding, GMAW)工藝，焊接位置為5G。

2.2 缺陷尺寸

評(píng)估時(shí)只考慮裂紋為主的平面型缺陷，按照缺陷位置可以分為外表面缺陷、內(nèi)表面缺陷和埋藏缺陷。表面缺陷主要尺寸有缺陷深度a和缺陷寬度2c。埋藏缺陷主要尺寸有缺陷深度2a、缺陷寬度2c和缺陷與上表面的距離ρ。

2.3 力學(xué)性能

焊縫的拉伸性能參數(shù)包括屈服強(qiáng)度σY、抗拉強(qiáng)度σU，評(píng)估中不考慮屈服平臺(tái)的影響。同時(shí)，按照ISO 15653標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行斷裂韌性試驗(yàn)，獲取的斷裂韌性值根據(jù)BS 7910進(jìn)行斷裂韌性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，最終獲得的拉伸性能參數(shù)和斷裂韌性參數(shù)(裂縫尖端開口位移，Crack-Tip Opening Displacement, CTOD)如表1所示。

表1 拉伸性能參數(shù)和斷裂韌性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.4 載荷

本文載荷數(shù)據(jù)來自于海洋石油工程股份有限公司的設(shè)計(jì)公司，以中國南海某典型海洋環(huán)境條件下常規(guī)SCR為研究對(duì)象，依據(jù)國際通用的API-RP-2RD規(guī)范，應(yīng)用OrcaFlex軟件進(jìn)行SCR荷載計(jì)算分析研究。計(jì)算時(shí)，選取SCR懸掛段和著泥段兩個(gè)位置進(jìn)行分析，每個(gè)位置考慮8個(gè)方向(0°～360°)，計(jì)算時(shí)間為3 600 s。在進(jìn)行疲勞斷裂評(píng)定時(shí)，應(yīng)選取8個(gè)方向中應(yīng)力范圍最大的載荷譜并依照IIW焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)推薦的雨流法對(duì)載荷譜進(jìn)行處理[4]。最后，將3 600 s的載荷譜換算成設(shè)計(jì)壽命25年里的應(yīng)力范圍與對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。表2給出本文所采用的懸掛段和著泥段的疲勞載荷。

表2 懸掛段和著泥段的疲勞載荷

2.5 殘余應(yīng)力

存在于管道中的殘余應(yīng)力在ECA評(píng)估中通常按照二次應(yīng)力來處理，并且殘余應(yīng)力必須進(jìn)行線性化處理，將其劃分為二次膜應(yīng)力和二次彎曲應(yīng)力。本次立管ECA評(píng)估中將二次膜應(yīng)力定義為材料的屈服強(qiáng)度，而二次彎曲應(yīng)力接近于零。

2.6 缺陷擴(kuò)展規(guī)律

焊縫的拉伸性能參數(shù)包括屈服強(qiáng)度σY、抗拉強(qiáng)度σU，評(píng)估中不考慮屈服平臺(tái)的影響。

在BS 7910-2013[5]中裂紋擴(kuò)展規(guī)律采用的Prais公式為

(1)

將ΔK代入式(1)，即可得到裂紋尺寸擴(kuò)展量，再加上計(jì)算之前的裂紋尺寸，即得到新的裂紋尺寸。在本疲勞評(píng)定程序中缺省項(xiàng)是BS 7910推薦的具有兩條直線的裂紋擴(kuò)展定律，其具體參數(shù)如表3所示。

表3 BS 7910推薦的具有兩條直線的裂紋擴(kuò)展速率

2.7 錯(cuò)邊和角變形

焊接缺陷對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能有著重要的影響，本文研究的焊接缺陷包含錯(cuò)邊和角變形，其中錯(cuò)邊量選取不同值為0 mm、0.50 mm、0.75 mm、1.00 mm、1.50 mm、1.91 mm，角變形選取不同值為0°、0.5°、1.0°、1.5°、2.0°。

3 評(píng)估結(jié)果

3.1 臨界缺陷尺寸

圖2和圖3分別給出了SCR兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)域著泥段和懸掛段臨界疲勞缺陷尺寸。從圖2可以看出，外表面缺陷是在外表面、內(nèi)表面和埋藏等3種缺陷類型中最為危險(xiǎn)的，埋藏缺陷的臨界尺寸隨著缺陷與外表面距離的增大而增大。比較圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，懸掛段所允許的缺陷尺寸要比著泥段小很多，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)該對(duì)懸掛段的焊接工藝和成形提出更嚴(yán)格的要求。

圖2 著泥段臨界疲勞缺陷尺寸 圖3 懸掛段臨界疲勞缺陷尺寸

3.2 敏感性分析

采用著泥段的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行敏感性分析，并計(jì)算在不同錯(cuò)邊量和角變形下的外表面缺陷尺寸，結(jié)果如圖4和圖5所示，可以看出，隨著錯(cuò)邊量和角變形的增大，獲得的臨界疲勞缺陷尺寸減少。

圖4 臨界疲勞缺陷尺寸與錯(cuò)邊量的關(guān)系 圖5 臨界疲勞缺陷尺寸與角變形的關(guān)系

錯(cuò)邊和角變形對(duì)疲勞缺陷尺寸的影響主要是通過改變接頭的應(yīng)力集中系數(shù)實(shí)現(xiàn)的。為了進(jìn)一步比較臨界疲勞缺陷尺寸對(duì)錯(cuò)邊和角變形的敏感性，將不同錯(cuò)邊量和角變形對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)匯總?cè)绫?所示。以錯(cuò)邊量x1和角變形x2為自變量，總應(yīng)力集中系數(shù)Km為因變量進(jìn)行多元線性回歸分析，計(jì)算式如式(2)所示，根據(jù)錯(cuò)邊量和角變形的系數(shù)可以看出，角變形對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響程度比錯(cuò)邊的影響大約6倍，進(jìn)一步說明角變形對(duì)臨界疲勞缺陷尺寸的影響要比錯(cuò)邊大：

Km=0.17x1+1.07x2

(2)

表4 不同錯(cuò)邊量和角變形對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)

4 結(jié) 論

為了解決SCR在深水服役過程中容易產(chǎn)生疲勞失效的問題，對(duì)含有缺陷的SCR環(huán)焊縫進(jìn)行ECA斷裂疲勞評(píng)估，并分析缺陷允許尺寸對(duì)錯(cuò)邊和角變形的敏感性，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 在外表面、內(nèi)表面和埋藏等3類缺陷中，外表面缺陷最為危險(xiǎn)，埋藏缺陷的臨界尺寸隨著缺陷與外表面距離的增大而增大；

(2) SCR的懸掛段所允許的缺陷尺寸要比著泥段??；

(3) 角變形和錯(cuò)邊對(duì)缺陷允許尺寸都有一定影響，角變形的影響較錯(cuò)邊大。