CN110895641A - 一种含有环向表面裂纹v型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估方法，基于有限元商用软件Abaqus进行计算，在建模过程中考虑了焊缝V型坡口角度、根部间隙、内衬层厚度以及多个管道形状参量和裂纹形状参量，寻找到了断裂响应J/σ₀t和名义应变ε_n之间的线性关系：J/σ₀t＝fε_n。并将不同管道参量条件下的f值通过大量回归分析求解，并得到参量f的方程。从而实现含有环向表面裂纹V型坡口焊缝复合管的工程临界评估。其中J积分由商用软件Abaqus计算求解。名义应变ε_n为复合管卷管铺设过程中承受的应变。

Description

一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临 界评估方法

技术领域

本发明涉及工程技术领域，具体属于海底油气管道V型坡口焊缝复合管卷管铺设和服役过程中管道环向表面裂纹的工程临界评估技术。通过实施该技术进行工程临界评估，可以判断复合管环缝表面裂纹是否会导致管道失效，从而判断是否可以继续安全服役。

背景技术

目前，由于陆地石化资源的日益耗竭，油气开发已经逐步转向海洋资源，并且有着从浅海到深海扩大的趋势。浅海油气资源开采已经无法满足日益增长的工业需求。重大油气资源均来源于深海。我国南海油气储量十分丰富，然而由于核心技术设备以及自主研发创新不足等问题，深海油气开发仍有很多难以解决的问题。含有冶金耐腐蚀内衬层的复合管经常作为深海油气运输的载体。对于几千米深度的海底，必须通过焊接技术将复合管逐根连接并送入深海铺设。目前常用的铺设方法有J型铺设法、S型铺设法和卷管铺设法。其中卷管铺设法效率最高，可以实现岸上焊接，卷管，然后运输至铺设点离岸铺设。数米管段经过焊接后连接成数千米的管线，然后缠绕到大型卷辊上。在铺设地点经过解卷、校直等过程实现铺设。然而在卷管铺设以及服役过程中，管道会受到超出屈服强度的塑性应变。同时由于焊接过程中不可避免的会产生未熔合、未焊透、裂纹等危害性缺陷。这些缺陷有些可以通过无损检测发现及时补救，有些由于无损检测技术原理的限制，部分取向特殊的微小缺陷会漏检。因此只有对管道进行工程临界评估，基于合乎使用原则才能确保整个海底油气输送过程的安全性和经济性。

目前，针对海底管道工程临界评估的方法主要是基于BS 7910和API 579等标准。然而这些方法均没有考虑复合管内衬层和V型坡口焊缝对评估结果的影响，因此对复合管直接应用这些标准是不够准确的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估方法，本发明基于有限元商用软件Abaqus进行计算，在建模过程中考虑了焊缝V型坡口角度、根部间隙、内衬层厚度以及多个管道形状参量和裂纹形状参量，寻找到了断裂响应J/σ₀t和名义应变ε_n之间的线性关系：J/σ₀t＝fε_n。其中J积分由商用软件Abaqus计算求解。名义应变ε_n为复合管卷管铺设过程中承受的应变。并将不同管道参量条件下的f值通过大量回归分析求解，并得到参量f的方程。从而实现含有环向表面裂纹V型坡口焊缝复合管的工程临界评估。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

本发明的一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估方法，包括以下步骤：

步骤1，根据断裂韧性手册查找材料的断裂韧性J_IC值；

步骤2，确定待评管道焊缝和裂纹参数，计算参量a/t,a/c,d/t,l_g,A_w,t_c,2c/πd的值，其中a/t表示裂纹深度比，无量纲，a/c表示裂纹深宽比，无量纲，d/t表示管道径厚比，无量纲，l_g表示根部间隙率，无量纲，A_w表示坡口半角度，无量纲，t_c表示内衬层厚度，单位为mm，2c/πd表示裂纹长度比；

步骤3，计算参量f，当复合管为X80/316L复合管时，将步骤2中的所述参量带入公式4中计算参量f的值，当复合管为X65/316L复合管时，将步骤2中的所述参量带入公式5计算参量f的值；

其中：公式4为：

公式5为：

公式4中的参数列表如下：

公式5中的参数列表如下：

步骤4，根据公式3确定J积分的值，公式3为：

J/σ₀t＝fε_n

其中：J积分表示裂纹扩展驱动力，单位为Mpa·mm；σ₀为屈服强度，单位为Mpa，f为无量纲参数，ε_n为名义应变，无量刚，t为管壁厚度，单位为mm，ε_n＝d/(d+D_reel)，d为复合管外直径，单位为mm；D_reel为卷辊直径，单位为mm；

步骤5，比较步骤4得到的J积分和步骤1得到的断裂韧性J_IC的值，如果J＞J_IC,就认为复合管会发生断裂失效；反之，如果J＜J_IC,就认为该缺陷是安全的。

在上述技术方案中，参量适用范围如下：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、简化了裂纹扩展驱动力J积分的计算步骤，将以下参数a/t、a/c、d/t、l_g、A_w、t_c、2c/πd以及σ₀、ε_n和t代入本发明的拟合公式中，即可计算出J积分的数值，再将其与断裂韧性J_IC进行比较，即可得到该缺陷是否是安全的。

2、考虑了复合管内衬层和V型坡口焊缝对复合管工程临界评估的影响，相比BS7910和API 579等标准，本发明的评估准确性更高。

3、通过本发明拟合公式计算得到的J积分数值与有限元的结果吻合较好，精度能够满足工业需要。

附图说明

图1所示为复合管卷管铺设过程。

图2所示为复合管表面裂纹示意图。

图3所示为复合管V型坡口焊缝示意图。

图4所示为断裂响应和名义应变之间的关系。

图5所示为针对X65/316L型复合管，用公式3求得的断裂响应和有限元结果的对比,其中图5-1、图5-2和图5-3分别为有限元、公式3以及两者合成的对比图。

图6所示为针对X80/316L型复合管，用公式3求得的断裂响应和有限元结果的对比，其中图6-1、图6-2和图6-3分别为有限元、公式3以及两者合成的对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

复合管卷管铺设过程如图1所示，该图主要包括复合管外直径d和卷辊直径D_reel两个参量，在卷管过程中复合管所承受的名义应变ε_n如公式1所示(可参考文献：DNV-RP-F108.Offshore standard–fracture control for pipeline installation methodsintroducing cyclic plastic strain.Hovik(Norway):Det Norske Veritas；2006.)。

ε_n＝d/(d+D_reel) 公式1

其中ε_n为名义应变，无量刚；d为复合管外直径，单位为mm；D_reel为卷辊直径，单位为mm；公式1反应了复合管卷管过程中承受的应变大小，这个值的范围一般在1％-3％。

复合管表面裂纹示意图如图2所示：

该图主要包括复合管直径d，单位为mm；管壁厚度t，单位为mm；内衬层厚度t_c，单位为mm；表面裂纹深度a，单位为mm；表面裂纹半长度c，单位为mm。

复合管V型坡口焊缝示意图如图3所示：

该图主要包括根部间隙率l_g，无量纲，由公式2确定；坡口半角度A_w，无量纲；管壁厚度t，单位为mm；内衬层厚度t_c，单位为mm；

l_g＝根部间隙/t 公式2

通过Abaqus有限元商用软件对大量不同尺寸和焊缝坡口形状的含有表面裂纹的复合管计算发现，断裂响应J/σ₀t和名义应变ε_n之间的关系如图4所示(有限元模拟过程可参考文献：Nourpanah N,Taheri F.Development of a reference strain approach forassessment of fracture response of reeled pipelines.ENG FRACT MECH 2010)

该图中断裂响应J/σ₀t和名义应变ε_n的关系由大量含有表面裂纹V型坡口焊缝的复合管有限元模型计算得到，可以观察到在复合管卷管铺设过程所受到1％-3％名义应变范围内，断裂响应J/σ₀t和名义应变ε_n之间的关系接近线性关系，并基于这个线性关系提出公式3：

J/σ₀t＝fε_n 公式3

其中J积分表示裂纹扩展驱动力，单位为Mpa·mm；σ₀为屈服强度，单位为Mpa；f为本专利中引入的参量，无量纲。通过商用软件Abaqus建模，将待评估复合管的形状参量、表面裂纹的形状参量、焊缝坡口角度、根部间隙以及名义应变等参量导入，可以得到大量含有环向表面裂纹的不同尺寸和坡口角度的复合管的J积分值，将得到的J积分值和建模时采用的参量σ₀、t和ε_n根据公式3经过大量回归分析可以得到参量f的精确值。再通过得到的参量f的精确值结合对应的复合管形状参量，裂纹几何参量，焊缝坡口角度，根部间隙以及内衬层厚度等参量再次进行回归分析，可以得到f的参量表达式分别由公式4和公式5确定。其中公式4适用于X80/316L复合管，公式5适用于X65/316L复合管。

其中x₁,x₂……x₇分别表示裂纹深度比a/t,无量纲；裂纹深宽比a/c,无量纲；管道径厚比d/t,无量纲；根部间隙率l_g,无量纲；坡口半角度A_w,无量纲；内衬层厚度t_c，单位为mm；裂纹长度比2c/πd，无量纲。α₁,α₁₁,α₂₂,α₃₃,α₁₁₁,α₂₂₂,α₃₃₃,α₁₁₁₁,α₂₂₂₂,α₃₃₃₃,α₄₄₄₄,α₅₅₅₅,α₆₆₆₆,β₁,β₂,β₁₁,β₂₂,β₁₁₁,β₂₂₂,β₃₃₃,β₁₁₁₁,β₂₂₂₂为拟合系数，其值如表格1和表格2所示。

表格1回归系数，适用于X80/316L型复合管

表格2回归系数，适用于X65/316L型复合管

对于公式3、公式4和公式5有一定的适用范围，如表格3所示：

表格3适用范围

实施例1

以X65/316L型复合管为例且a/t＝0.4，d/t＝10，A_w＝π/6，t_c＝3，利用本发明的方法和有限元结果进行对比。得到图5所示结果。

通过图5可以看出，对于X65/316L型复合管，在较低的裂纹深度比a/t值时，根部间隙率l_g对断裂响应的影响不大，而对于较高的a/t值时，根部间隙率l_g对断裂响应的影响逐渐增加。根部间隙率l_g越大，断裂响应越大。对于不同的裂纹深度比a/t和根部间隙率l_g，通过有限元和公式3得到的结果几乎一样。

实施例2

以X80/316L型复合管为例，且a/t＝0.4，d/t＝10，A_w＝π/6，t_c＝3，利用本发明的方法和有限元结果进行对比。得到图6所示结果。

通过图6可以看出，裂纹深度比a/t和根部间隙率l_g对断裂响应的影响规律与图1基本一致。公式3和有限元的结果吻合较好，精度能够满足工业需要。

本发明名词解释

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据断裂韧性手册查找材料的断裂韧性J_IC值；

步骤2，确定待评管道焊缝和裂纹参数，计算参量a/t,a/c,d/t,l_g,A_w,t_c,2c/πd的值，其中a/t表示裂纹深度比，无量纲，a/c表示裂纹深宽比，无量纲，d/t表示管道径厚比，无量纲，l_g表示根部间隙率，无量纲，A_w表示坡口半角度，无量纲，t_c表示内衬层厚度，单位为mm，2c/πd表示裂纹长度比；

步骤3，计算参量f，当复合管为X80/316L复合管时，将步骤2中的所述参量带入公式4中计算参量f的值，当复合管为X65/316L复合管时，将步骤2中的所述参量带入公式5计算参量f的值；

其中：公式4为：

公式5为：

公式4中的参数列表如下：

公式5中的参数列表如下：

步骤4，根据公式3确定J积分的值，公式3为：

J/σ₀t＝fε_n

其中：J积分表示裂纹扩展驱动力，单位为Mpa·mm；σ₀为屈服强度，单位为Mpa，f为无量纲参数，ε_n为名义应变，无量刚，t为管壁厚度，单位为mm，ε_n＝d/(d+D_reel)，d为复合管外直径，单位为mm；D_reel为卷辊直径，单位为mm；

步骤5，比较步骤4得到的J积分和步骤1得到的断裂韧性J_IC的值，如果J＞J_IC,就认为复合管会发生断裂失效；反之，如果J＜J_IC,就认为该缺陷是安全的。

2.如权利要求1所述的一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估方法，其特征在于，

参量适用范围如下：

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