CN111859722A - 一种含有环向埋藏裂纹v型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估解析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有环向埋藏裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估解析方法。通过大量有限元计算比较J_上和J_下之间的关系，提出了归一化安全系数1.2，得到了裂纹扩展驱动力最大值与J_下之间的关系：J_最大＝1.2J_下。同时结合断裂响应J/σ₀t和应变ε_n之间的线性关系：J/σ₀t＝fε_n，最终得到J_最大/σ₀t＝1.2fε_n。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的经验公式。从而得到了裂纹扩展驱动力J_最大的解析方程，实现了含有环向埋藏裂纹V型坡口焊缝复合管的工程临界评估。

Description

一种含有环向埋藏裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临 界评估解析方法

技术领域

本发明涉及工程技术领域，特别是涉及一种含有环向埋藏裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估解析方法。

背景技术

由于陆地石化资源的过渡开采，现有资源已经难以满足日益增长的工业生产需要。油气开发已经逐步转向海底资源，并且有着从浅海到深海扩大的趋势。然而由于深海环境的复杂性和不确定性，深海油气开发仍有很多难以解决的问题。考虑到深海油气运输常伴有腐蚀性介质，因此工业上常采用含有冶金耐腐蚀内衬层的复合管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，然后进行铺设。目前，卷管铺设法作为常用的铺管技术之一有着陆上焊接，离岸铺设的优势。相比较S型铺设和J型铺设，卷管铺设法不需要离岸焊接，因此可以在较好的焊接条件下连接各管段，能够保障较优的焊接质量并且铺设效率更高。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，管道会受到较大的塑性应变。同时由于焊接过程中往往会产生未熔合、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检出并通过返修补救，有些由于无损检测技术精度或原理的限制，部分微小缺陷会漏检，或即使检出，却不满足返修条件。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。

目前大部分管道工程临界评估方法都是集中在环向表面裂纹。对于埋藏裂纹的评估，挪威船级社DNV-RP-F108标准给出了将埋藏裂纹简化等效为表面裂纹的方法。然而有学者研究表明这样的简化方法会得到过于保守的评估结果。并且该标准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，因此直接应用此标准用于复合管评估是不够准确的。

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埋藏裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估解析方法。本发明基于有限元商用软件Abaqus进行大量计算，在建模过程中考虑了焊缝V型坡口角度、根部间隙、内衬层以及多个管道形状参量和埋藏裂纹的形状与位置。对于埋藏裂纹而言，裂纹扩展驱动力的峰值点有上下两个位置分别为J_上和J_下。需要选取二者中的较大值作为最终裂纹扩展驱动力进行评估。然而这样需要同时计算J_上和J_下，不便于使用。本专利提出了一种将J_上和J_下两个位置的裂纹扩展驱动力归一化的方法。通过大量有限元计算比较J_上和J_下之间的关系，提出了归一化安全系数1.2，得到了裂纹扩展驱动力最大值与J_下之间的关系：J_最大＝1.2J_下。同时结合断裂响应J/σ₀t和应变ε_n之间的线性关系：J/σ₀t＝fε_n，最终得到J_最大/σ₀t＝1.2fε_n。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的经验公式。从而得到了裂纹扩展驱动力J_最大的解析方程，实现了含有环向埋藏裂纹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：

一种含有环向埋藏裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估解析方法，包括以下步骤：

步骤1，获取环缝焊接复合管和埋藏裂纹的几何参数，包括a_e、t、c、d、l_g、A_w、t_c和p_o/(p_o+p_i)，其中a_e为埋藏裂纹半深度，单位为mm，t为复合管总壁厚，单位为mm，c为裂纹半长度，单位为mm，d为复合管外径，单位为mm，l_g为焊缝根部间隙率，无量纲，A_w为裂纹坡口半角度，无量纲，t_c为内衬层壁厚，单位为mm，p_o/(p_o+p_i)埋藏裂纹位置参数，无量纲；

步骤2，根据ε_n＝d/(d+D_reel)确定管道所受到的应变值ε_n，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；

步骤3，根据

计算参量f的值，其中x₁表示埋藏裂纹深度比2a_e/t,无量纲；x₂表示埋藏裂纹深宽比a_e/c,无量纲；x₃表示管道径厚比d/t,无量纲；x₄表示根部间隙率l_g,无量纲；x₅表示坡口半角度A_w,无量纲；x₆表示埋藏裂纹相对壁厚位置p_o/(p_o+p_i),无量纲；x₇表示裂纹长度比2c/πd,无量纲，α₁,α₂,β₁,β₂,δ₁,δ₂,δ₃,δ₄,δ₅,γ₁,γ₂,γ₃,γ₄,γ₅,和μ为拟合系数，其值如表1所示；

表1回归系数

步骤4，根据J_最大/σ₀t＝1.2fε_n计算裂纹扩展驱动力J_最大的值，其中σ₀为屈服强度，单位为Mpa，σ₀的数值可查阅API-5L标准；

步骤5，比较J_最大和断裂韧性J_IC的值，J_IC的数值可根据DNV-RP-F108标准通过实验测试得到，如果J_最大＞J_IC,就认为复合管会发生断裂失效；反之，如果J_最大＜J_IC,就认为该缺陷是安全的。

在上述技术方案中，各参数的适用范围如下表所示：

表格2适用范围

在上述技术方案中，所述海底冶金复合管为X65/Inconel 625型复合管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过实施该技术进行工程临界评估，可以判断环向埋藏裂纹是否会导致管道失效，从而判断整个管线是否可以继续安全服役。

2.相比较于现行的DNV-RP-F108标准给出的将埋藏裂纹简化等效为表面裂纹的方法，本发明的评估方法更加准确。

附图说明

图1是复合管埋藏裂纹示意图。

图2是根部间隙率的示意图。

图3是裂纹扩展驱动力峰值J_上和J_下之间的关系图。

图4是实施例1中解析解公式5与归一化之前的解析解公式4以及有限元计算得到的埋藏裂纹和等效表面裂纹进行对比。

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。

实施例1

复合管卷管过程中受到的名义应变可由公式1计算。

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塑性应变大小，这个值的范围一般在1％-3％。

复合管埋藏裂纹示意图如图1所示，图1中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；埋藏裂纹高度2a_e，单位为mm；埋藏裂纹长度2c，单位为mm；J_上和J_下分别为埋藏裂纹在上峰值点和下峰值点的裂纹扩展驱动力，单位为Mpa·mm。p_o和p_i为表征埋藏裂纹相对于复合管壁厚位置的物理量，单位为mm。

图2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，gap为半根部间隙，单位为mm。

l_g＝gap/t 公式2

对不同参数的管道(在表格2范围内)进行有限元模拟分析，发现裂纹扩展驱动力峰值J_上和J_下之间的关系如图3所示，由于卷管铺设过程所受到的应变在1％-3％之间，根据图3所示，在这个应变范围内裂纹扩展驱动力的峰值J_上和J_下的比值在0.6-1.2之间。因此J_最大不会超过1.2倍的J_下，通过引入安全系数1.2，得到了公式3。由于断裂响应J/σ₀t和名义应变ε_n符合公式4的关系。将公式3结合公式4可以得到公式5

J_最大＝1.2J_下 公式3

J_下/σ₀t＝fε_n 公式4

J_最大/σ₀t＝1.2fε_n 公式5

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，无量纲，可以通过有限元分析确定。

将大量有限元分析得到的f值进行回归分析，得到关于复合管几何参数、裂纹几何参数的f经验表达式如公式6所示

其中x₁,x₂……x₆分别表示埋藏裂纹深度比2a_e/t,无量纲；埋藏裂纹深宽比a_e/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；埋藏裂纹相对壁厚位置p_o/(p_o+p_i),无量纲；裂纹长度比2c/πd,无量纲。α₁,α₂,β₁,β₂,δ₁,δ₂,δ₃,δ₄,δ₅,γ₁,γ₂,γ₃,γ₄,γ₅,和μ为拟合系数，其值如表格1所示。

表格1回归系数

由于有限元分析过程中使用的材料参数为常用的X65/Inconel 625型复合管。因此对于公式3、公式5和公式6适用于X65/Inconel 625型复合管，同时还有一定的适用范围，如表格2所示：

表格2适用范围

将提出的解析解公式5与归一化之前的解析解公式4以及有限元计算得到的埋藏裂纹和等效表面裂纹进行对比，如图4所示。

图4中a_s为等效表面裂纹的高度，单位为：mm。该高度与埋藏裂纹高度相同。同时等效表面裂纹与埋藏裂纹长度也一致。通过图4可以看出，对于埋藏裂纹而言，通过公式4得到的J_下/ζ₀t的值与有限元得到的J_下/ζ₀t的值具有很高的一致性。同时引入归一化安全系数1.2后的公式5解析值J_最大/ζ₀t，略高于通过有限元计算的J_上/ζ₀t值，但是仍旧远低于等效表面裂纹的J/ζ₀t的值。说明所提出公式5的解析解是保守的，并且要比通过DNV-RP-F108中将埋藏裂纹等效为表面裂纹的评估方法更为准确。

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 (3)

1.一种含有环向埋藏裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估解析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取环缝焊接复合管和埋藏裂纹的几何参数，包括a_e、t、c、d、l_g、A_w、t_c和p_o/(p_o+p_i)，其中a_e为埋藏裂纹半深度，单位为mm，t为复合管总壁厚，单位为mm，c为裂纹半长度，单位为mm，d为复合管外径，单位为mm，l_g为焊缝根部间隙率，无量纲，A_w为裂纹坡口半角度，无量纲，t_c为内衬层壁厚，单位为mm，p_o/(p_o+p_i)埋藏裂纹位置参数，无量纲；

步骤2，根据ε_n＝d/(d+D_reel)确定管道所受到的应变值ε_n，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；

步骤3，根据

计算参量f的值，其中x₁表示埋藏裂纹深度比2a_e/t,无量纲；x₂表示埋藏裂纹深宽比a_e/c,无量纲；x₃表示管道径厚比d/t,无量纲；x₄表示根部间隙率l_g,无量纲；x₅表示坡口半角度A_w,无量纲；x₆表示埋藏裂纹相对壁厚位置p_o/(p_o+p_i),无量纲；x₇表示裂纹长度比2c/πd,无量纲，α₁,α₂,β₁,β₂,δ₁,δ₂,δ₃,δ₄,δ₅,γ₁,γ₂,γ₃,γ₄,γ₅,和μ为拟合系数，其值如表1所示；

表1回归系数

步骤4，根据J_最大/σ₀t＝1.2fε_n计算裂纹扩展驱动力J_最大的值，其中σ₀为屈服强度，单位为Mpa；

步骤5，比较J_最大和断裂韧性J_IC的值，如果J_最大＞J_IC,就认为复合管会发生断裂失效；反之，如果J_最大＜J_IC,就认为该缺陷是安全的。

2.如权利要求1所述的含有环向埋藏裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估解析方法，其特征在于，各参数的适用范围如下表所示：

表格2适用范围

3.如权利要求1所述的含有环向埋藏裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管工程临界评估解析方法，其特征在于，所述海底冶金复合管为X65/Inconel 625型复合管。

Images