CN106918556A - 用于卷管工程临界评价的改进型参考应变方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于卷管工程临界评价的改进型参考应变方法，在Budden工作的基础上，提出计算参考应变的公式，利用计算的参考应变，以应变为基础的参考应变法能够用于含较深表面环向裂纹卷管的工程临界评价。本发明的方法能够扩展基于应变的失效评定图法，并能够进行敏感性分析。

Description

用于卷管工程临界评价的改进型参考应变方法

技术领域

本发明属于工程技术领域，更加具体的说，涉及卷管铺设过程中管道的工程临界评价方法，即确定当管道环焊缝中存在表面裂纹时，评价此裂纹是否会导致环焊缝的断裂。

背景技术

随着全球经济的持续快速发展，对能源特别是油气资源的需要也迅速增加。陆地石油资源在经过百年的开采后，资源日益耗竭，油田产能快速递减。在这种背景下，蕴藏着丰富资源的海洋得到了世界各国的青睐，纷纷进行开发采用。世界上深水油气资源开采的发展速度已经超过了陆地和浅水开采。对中国而言，目前陆上原油的开采量逐年减少，已有油田的稳产工作难度也越来越大。同时我国海洋以探明油气资源十分丰富，开发海洋油气资源在当今能源紧张的形势下势在必行。我国近海海洋油气资源有限，而南海深水海底蕴藏着丰富的油气资源，据估计南海海域潜在的石油储量约为550亿吨，天然气20万亿立方米以上，被誉为“第二个波斯湾”。因此走向深水开发南海油气资源是必然趋势，此举对于缓解我国石油供应紧张，降低进口依赖具有非常重要的现实意义。

深水油气资源开发需要在海上设置各类钻井、采油平台以及油气资源的输送工具。目前，在深水勘探及钻采油平台方面，我国已经设计建造了最大作业水深3050米的深水半潜式钻井平台(中海油“海洋石油981”)。在输送工具-海底管道方面，我国虽然发展很快(总长度超过6000公里)，但多为浅水区，深水管道铺设技术还相对落后，成为我国深水油气资源开发的关键瓶颈之一。

目前常用的海洋管道铺设方法有S型铺设、J型铺设、卷管铺设。卷管铺设法的过程为：首先进行管段焊接，形成几千米长的管线，然后将管线卷绕在卷滚上，然后将铺管船驾驶到管道的铺设地点，最后将管线从卷滚上退卷，进行铺设，如附图1所示。与S型铺设、J型铺设相比，卷管铺设的铺设效率高。由于卷管铺设的管道装配、焊接、检测过程在陆地上进行，因此焊接质量高。但是，管道在卷管铺设阶段必然经受较大范围的塑性变形，应变量可达1％-4％。由于管线是通过焊接进行连接，焊接过程不可避免出现未熔合、未焊透、气孔、夹杂、错边等焊接缺陷。为保证管道在安装、运行阶段的安全，基于“合于使用”的原则，应对管道进行工程临界评价(ECA)，以避免重大经济损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供用于卷管工程临界评价的改进型参考应变方法。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

用于卷管工程临界评价的改进型参考应变方法，按照下述步骤进行：

步骤1，计算参考应变，其计算公式为：

其中，ε_ref为参考应变；ε_unc为名义应变；a为表面裂纹深度，单位mm；c为表面裂纹长度的一半，单位mm；t为管道壁厚，单位mm；D为管道外径，单位mm；R为卷辊的半径，单位mm；σ_y为材料的屈服强度，单位MPa；σ_u为材料的抗拉强度，单位Mpa；A为-25.1809，B为12.3614，C为3.3494，D为24.7598，E为-13.2084，F为-2.5，G为4.0261，H为0.8；A-H均为系数。

步骤2，计算Dr

其中，ε_y为屈服应变；

步骤3，计算Kr

其中，K为应力场强度因子，单位为MPa·mm^-0.5；K_mat为材料的断裂韧度，单位为MPa·mm^-0.5；

步骤4，绘制失效评定图并将步骤2和步骤3计算的Dr和Kr绘制在图中，其中Dr和Kr分别为横纵坐标，失效评定曲线的公式为：

其中，E为弹性模量，单位为Mpa；σ_ref为参考应力，单位为Mpa；

步骤5，这样一来形成失效评定曲线和诸个点(Dr，Kr)构成的图并判断每个点(Dr，Kr)与失效评定曲线的位置，如果点(Dr，Kr)位于曲线下方，则说明这个点对应的裂纹是安全的，反之说明裂纹是危险。

上述方法的适应范围为：D/t为10～30，a/t为0.1～0.5，2c/πD为0.05～0.2，σ_y/σ_u为0.659～0.846。

Linken发展了基于参考应变的J积分估算方法，在Linken工作的基础上，Budden发展了以应变为基础的失效评定图法。但是Linken、Budden发展的J积分估算方法只适用于浅裂纹。本发明在Budden工作的基础上，提出了计算参考应变的经验公式。利用计算的参考应变，以应变为基础的参考应变法能够用于含较深表面环向裂纹卷管的工程临界评价。本发明的修正的参考应变法，能够扩展基于应变的失效评定图法，并能够进行敏感性分析。

附图说明

图1是卷管铺设示意图。

图2是本发明中的失效评定图。

图3是本发明的实施例的评价结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

应用实施例

管道的外径为300mm，壁厚为20mm，环向表面裂纹的深度为4mm，长度为30.14mm。所选用的材料的屈服强度为450MPa，抗拉强度为561MPa，弹性模量为206000MPa，断裂韧度为9615.74MPa·mm^-0.5。

(1)进行工程临界评估

采用改进的参考应变法对此裂纹在6种名义应变水平(0.015、0.02、0.025、0.03、0.035、0.04)下进行工程临界评价，评价的结果如图3所示。从图3可以看出，当名义应变小于0.03时，此裂纹是安全的。

(2)实验验证

在进行弯曲之前在管道上加工深度为4mm，长度为30.14mm的环向表面裂纹。然后，将管道安装到弯管机上，注意此时裂纹位于管道的3点钟方向(此位置应变最大)。逐渐施加推力，管道发生弯曲。当管道3点钟位置的名义应变为0.015、0.02、0.025、0.03、0.035、0.04时，采用硅橡胶复型法检测裂纹的深度。通过最后的实验结果分析得，当名以应变大于0.03时，裂纹深度变大。由此，验证了所提出改进的参考应变法的准确性。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.用于卷管工程临界评价的改进型参考应变方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

步骤1，计算参考应变，其计算公式为：

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{ref}}{{\mathrm{\ϵ}}_{unc}}=\exp \[A\·{\left(\frac{a}{t}\right)}^2+B\·{\left(\frac{a}{c}\right)}^2+C\·\left(\frac{a}{t}\right)\left(\frac{a}{c}\right)+D\·\left(\frac{a}{t}\right)+E\·\left(\frac{a}{c}\right)+F\]\·{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_y}{{\mathrm{\σ}}_u}\right)}^G+H$

${\mathrm{\ϵ}}_{unc}=\frac{D}{D+2R}$

其中，ε_ref为参考应变；ε_unc为名义应变；a为表面裂纹深度，单位mm；c为表面裂纹长度的一半，单位mm；t为管道壁厚，单位mm；D为管道外径，单位mm；R为卷辊的半径，单位mm；σ_y为材料的屈服强度，单位MPa；σ_u为材料的抗拉强度，单位Mpa；A为-25.1809，B为12.3614，C为3.3494，D为24.7598，E为-13.2084，F为-2.5，G为4.0261，H为0.8；

步骤2，计算Dr

$D_r=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{ref}}{{\mathrm{\ϵ}}_y}$

其中，ε_y为屈服应变；

步骤3，计算Kr

$K_r=\frac{K}{K_{mat}}$

其中，K为应力场强度因子；K_mat为材料的断裂韧度；

步骤4，绘制失效评定图并将步骤2和步骤3计算的Dr和Kr绘制在图中，其中Dr和Kr分别为横纵坐标，失效评定曲线的公式为：

$f^{*}\left(Dr\right)={\[\frac{2{\mathrm{E\ϵ}}_{ref}}{{\mathrm{\σ}}_{ref}}\]}^{-\frac{1}{2}}$

其中，E为弹性模量，单位为Mpa；σ_ref为参考应力，单位为Mpa；

步骤5，这样一来形成失效评定曲线和诸个点(Dr，Kr)构成的图并判断每个点(Dr，Kr)与失效评定曲线的位置，如果点(Dr，Kr)位于曲线下方，则说明这个点对应的裂纹是安全的，反之说明裂纹是危险。

2.根据权利要求1所述的用于卷管工程临界评价的改进型参考应变方法，其特征在于，方法的适应范围为：D/t为10～30，a/t为0.1～0.5，2c/πD为0.05～0.2，σ_y/σ_u为0.659～0.846。