CN1727891A - 在管道破裂前检测渗漏的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于评定破裂前渗漏的方法，包括：采用基于FAD分析根据裂纹发生获得的失效评定图表(FAD)评定曲线(36，100)，用以分析材料中的裂纹；以及采用与FAD评定曲线(36，100)相结合的延性撕裂分析(112)，以便检测裂纹，其中所述裂纹呈现在裂纹扩展过程中由延性撕裂稳定性和倾向于产生破裂的撕裂不稳定性中至少一种。

Description

在管道破裂前检测渗漏的方法

技术领域

本发明涉及一种在管道破裂前检测渗漏的方法，特别是涉及一种在管道应用中管道破裂前利用撕裂不稳定性检测渗漏的方法。

背景技术

由于应力腐蚀开裂、材料的疲劳或者腐蚀疲劳，导致管道内出现裂纹或裂纹区域且不断扩展。如果裂纹穿透管壁则会产生管道渗漏。对渗漏的即时检测可看作是一种早期的警报和补救措施，以避免随后发生瞬间失效。因此，开发一种能够预测“破裂前渗漏”的分析方法实际上是非常重要的。

有关天然气管道上外部应力腐蚀开裂(SCC)的第一起意外事件发生在20世纪60年代中期，从此之后发生了上百起故障。应力腐蚀开裂(SCC)是通过拉伸应力和腐蚀环境同时作用，在正常完好的材料中形成的一种脆裂形式。

对含有裂纹的管道破裂之前的渗漏估算是致力于完整性评定的领域。目前，基于行业标准如API579-2000的断裂力学提供了一种采用二级或三级失效评定图表(FAD)对破裂前渗漏进行评定的详细程序。由于这些程序只预测了裂纹发生，却没有对延性撕裂过程中材料所表现出的稳定裂纹扩展而导致的瞬间失效进行预测，因此其结果与现场观察到的渗漏事件并不一致。

破裂前渗漏的标准要求：在采用二级或三级FAD评定方法的情况下(1)在部件正常寿命期间，结构(如管道壁)上留有的最大初始裂纹尺寸不会导致破裂，以及(2)对于全部可施加载荷，贯穿管壁的最长裂纹的长度小于会产生严重破裂的长度。但是，API579标准下的用于临界尺寸即所容许最大裂纹尺寸分析的FAD程序与一些参考资料中的裂纹发生标准并不一致，如I.Milne，R.A.Ainsworth，A.R.Dowling和A.T.Stewart的“Assessment of integrity ofstructures containing defects”，CEGB report R/H/R6-Revision3，1986；以及M.Janssen，J.Zuidema和R.J.H.Wanhill的“Elastic-Plastic fracture mechanics”，Fracture Mechanics，Part III，Chapter8，pp.198-203，Delft University Press(2002)。

当材料失效被预计为是脆性失效或材料失效之前是有限数量的延性撕裂时，更适合采用API579标准下的FAD程序来分析临界尺寸。对于失效前材料所表现出的重要延性撕裂，目前对渗漏或破裂条件的预测是守旧的，而且不能提供出与现场观察到的“破裂前渗漏”事件中一致的结果。这是因为在分析中没有考虑到裂纹扩展过程中韧性方面的增长。

因此，需要提供一种破裂之前检测渗漏的方法，其中所述破裂的原因是由于重要的延性撕裂的作用，该方法可通过考虑材料断裂韧性的增加而提供出更加精确的预测，其中增加的韧性是在由延性撕裂机制产生的裂纹扩展过程中所涉及的韧性。

发明内容

通过在管道应用中采用延性撕裂和撕裂不稳定性方法来检测破裂前的渗漏，可以克服和减轻上述和其他缺陷、不足。

在一典型的实施方案中，评定破裂前渗漏的方法包括采用由基于FAD的裂纹发生分析获得的失效评定图表(FAD)评定曲线，用以分析材料中的裂纹，还包括采用与FAD评定曲线相结合的延性撕裂分析以便检测裂纹，其中所述裂纹是在裂纹扩展过程中由延性撕裂稳定性和倾向于产生破裂的撕裂不稳定性中至少一种状态表现出来的。

在另一实施方案中，一种用以检测管道材料中破裂前渗漏裂纹的方法，所述裂纹由于延性撕裂呈现稳定的裂纹扩展，该方法包括采用由基于FAD的裂纹发生分析获得的失效评定图表(FAD)评定曲线用以分析材料中的裂纹，该方法还包括采用与FAD评定曲线相结合的延性撕裂分析，以便检测裂纹，其中所述裂纹是在裂纹扩展过程中呈现延性撕裂稳定性和倾向于产生破裂的撕裂不稳定性中至少一种，所述延性撕裂分析还考虑到裂纹伸展过程中材料断裂韧性的增长。

根据下面详细和说明和附图，本领域技术人员能够认识和了解到本发明的上述和其他特征、优点。

附图说明

参考附图，其中相同的元件用相同的附图标记表示。

图1是应力与裂纹长度的关系曲线图，示出了在延性材料的平面应力条件下裂纹缓慢扩展的状态；

图2是典型的R型曲线，示出了裂纹扩张开始和撕裂不稳定性(破裂)的状态；

图3是J_app与裂纹扩张长度的关系曲线图，示出了不同驱动力下的J-R曲线；

图4是典型的材料J-R曲线，示出了8个评定点；

图5是失效(failure)评定图表(FAD)，用于按照典型实施方案利用从图4所示J-R曲线得到的J_mat来分析延性撕裂(ductiletearing)和撕裂不稳定性；

图6是另一用来分析延性撕裂和撕裂不稳定性的失效评定图表(FAD)，示出了按照示范实施方案的如图5所示稳定裂纹扩展、无裂纹扩展、以及延性不稳定性的状态；

图7是III级评定图表，示出了在896psi(MAOP)压力下一16英寸长的O.D.X-52管道的临界裂纹尺寸；

图8是按照典型实施方案从16英寸长的O.D.管道上切断的一段实际J-R曲线；

图9是一FAD，用于对MAOP 896psi压力下16英寸长的O.D管道上不同长度的贯穿管壁裂纹的延性撕裂进行分析；

图10是一FAD，用于对MAOP 832压力下26英寸长的O.D管道上不同长度的贯穿管壁裂纹的延性撕裂进行三级分析；

图11是一FAD，用于对X52管道中不同长度的深度SSC裂纹(即裂纹占重量百分比wt的90％)的延性撕裂进行三级分析。

具体实施方式

按照API579评估程序和与其相关联的评估程序如R6和BS7910，对于含裂纹的结构的验收标准是通过对裂纹扩张的开始而不是通过对裂纹不稳定性(破裂)来进行分析的。由于处在平面应变载荷条件下的延性材料(如延性-脆性过渡曲线的上层所代表的铁素体钢管道的薄壁)在破裂之前经常表现出大范围的塑性变形，所以这种情形下的评估方法学显得非常守旧，并不适合对类似破裂之前渗漏这种实际上的失效情况进行预测。

为了开发一种新的用于破裂之前渗漏评定的撕裂不稳定性模型，需要对延性撕裂和撕裂不稳定性的过程进行回顾。这一过程可以用图1所示的图表表示，其中初始长度为a₀的裂纹在一定应力σ_i的作用下在a_i扩张(如裂纹扩展的开始)。如果应力维持σ_i，则裂纹不会进一步扩展，这是因为这一应力下的G＝R，其中G代表驱动力，R代表材料抵抗裂纹扩张的阻力。然后需稍微增加应力以产生额外的裂纹扩张，当然，由于在应力增加后又建立了新的平衡G＝R，这时的裂纹依然保持稳定。随着这一过程的继续，位于第一条应力曲线12和第二条应力曲线14之间的区域10中的稳定裂纹扩展过程也伴有应力的增加，直到应力σ_c与裂纹长度a_c相交点的临界值到达第二条曲线14。在这一点上产生了不稳定的裂纹扩展。第一条曲线12代表裂纹扩张开始的应力σ_i，而第二条曲线14代表导致破裂的不稳定撕裂的临界应力σ_c。第一和第二条曲线之间的区域10则代表裂纹稳定缓慢扩展的延性撕裂区域。

参考图2，借助R曲线的概念可以对延性撕裂和不稳定撕裂的过程进行更详细的说明。材料抵抗裂纹扩张的阻力如上升曲线16即R曲线所示，该曲线带有一对应于低应力等级(即低驱动力G)下无裂纹扩张的垂直部分18。能够使裂纹扩张的驱动力G如穿过坐标原点的直线20和22(即G直线G_σi和G_C)所示。在应力为σ_i时，开始产生裂纹扩张，它由G_σi线20和R曲线16的交点24来表示。在该应力下，由于G_σi线20位于R曲线16的内侧即G_σi＜R，所以不会产生进一步的裂纹扩张。只有在沿着R曲线当G_σ稍高于R_i时才会产生进一步的裂纹扩张，并且在G_σ的每一个增量下依然保持稳定的扩展状态。这一延性撕裂的缓慢裂纹扩展稳定地进行着直到σ_c和a_C到达G_c线22和R曲线16的交点26。超过这一点26之外，如G_c线22所示，G_σ开始比R大，并且开始产生不稳定的撕裂(即破裂)。

因此，不稳定撕裂的条件可以表示为：

    G_σ＞R_σ                             (1)

以及

$\frac{\∂G_{\mathrm{\σ}}}{\∂a}>\frac{{\∂R}_{\mathrm{\σ}}}{\∂a}---\left(2\right)$

对于平面应力下的延性材料，相关领域的技术人员通常能够接受的是J积分和裂纹张开位移(COD)方法能够对通常包括稳定裂纹扩展的弹性-塑性破裂特性提出合理的说明。在这方面的公开内容中，仅仅使用过J积分方法。J积分作为一种对工程用合金的弹性-塑性破裂韧性的测量方法被广泛接受。裂纹扩张的驱动力和材料抵抗裂纹延伸的阻力可分别用J_app和J_mat表示。

现在参考图3，按照J-R曲线30中J_mat与裂纹长度扩展(a)的比值来建立图2中的R曲线16，并且裂纹扩张的驱动力用J_app来表示。然后，将撕裂不稳定性的标准表示为：

J_app＞J_mat                                     (3)

以及

$\frac{{\∂J}_{\mathrm{app}}}{\∂a}>\frac{{\∂J}_{\mathrm{mat}}}{\∂a}---\left(4\right)$

上述方法可作为研究渗漏前破裂评估标准的基础，下面将对此进行详细说明。

可广泛使用基于R6、API579或BS7910以及相应程序的FAD曲线，以用来对在结构上出现的类似裂纹的特征的可接受性进行评定。基于裂纹发生的标准，如果评定点被设置在FAD的安全区域外，那么这种裂纹是不容许的。当然，这一点并不总是表示失效的条件。为了使材料在延性撕裂的作用下表现为稳定裂纹扩展，随着裂纹的扩展需要增加断裂韧性。与上面公式(3)和(4)类似，只要满足下面的公式，裂纹就可以保持稳定性：

J_app≤J_mat  以及 $\frac{\∂J_{\mathrm{app}}}{\∂a}\≤\frac{\∂J_{\mathrm{mat}}}{\∂a}---\left(5\right)$

为了说明裂纹如何保持其稳定性，可通过在假定裂纹扩张的范围内计算Lr和Kr来对延性撕裂进行分析，假定裂纹扩张的范围是Δa，从初始裂纹长度a₀开始，这里Kr等于K_r，还需要计算所施加的J积分与材料断裂韧性 的比值。现在参考图5和6，FAD36的x轴表示应力比Lr(或者是塑性破坏比)，它是参考应力σ_ref(所施加的应力和裂纹尺寸的函数)与屈服强度的比值σ_ref/σ_y。

J_mat可以从图4所示材料的J阻力(J-R)曲线中获得，以用于裂纹扩展增量Δa。J_app是在基于所施加的载荷、结构形状以及裂纹几何形状的基础上计算得到的。在载荷和温度恒定的条件下，对于一条单独的裂纹来说，初始评定点38最初位于图5所示FAD36的外部。由于裂纹扩张， 和

都将增加。不过，只要不等式(5)成立，Kr就会减小。同时由于裂纹扩展，Lr会有一些增加，因此FAD36中评定点40的轨迹指向急剧下降的方向，对此可以参考图5所示从对应于初始裂纹长度a₀的点38开始的曲线AB。

图5和6还示出了由于延性撕裂最终落在评定曲线36之下的评定点42，因此裂纹扩张最终不会通过图6中FAD36下未填充的评定点显示出来。对于这些裂纹，尽管它们最初位于评定曲线36的外侧且表现为一定程度上的稳定裂纹扩张，但这些裂纹在工作压力下并不会导致破裂引起的失效，这就意味着尽管增加了一定数量的裂纹，但这些裂纹是稳定的，且在由破裂导致的失效方面是容许的。

基于上述分析，可以认识到关于曲线AB的两种情况：首先，如果图5中的裂纹是贯穿管壁的裂纹，那么预计会出现渗漏，这是因为这些评定点最终落在了评定曲线36之下，这就意味着即使评定点38最初位于FAD评估曲线36的外侧，裂纹也是稳定的，并且不会导致破裂。其次，如果裂纹是表面裂纹，那么在施加一恒定载荷的情况下裂纹可能会贯穿管壁，如果裂纹达到一相对的深度且裂纹扩张主要出现在贯穿管壁的方向上，那么由于稳定的裂纹扩张会导致渗漏。

现在参考图6，示出了多于2个的实施例，用于进行完整性分析。曲线CD被完全设置在评定曲线36之下，因此在施加载荷的情况下不会产生裂纹扩张。曲线EF最初在曲线36之上，然后与评估曲线36相切于切点46，这说明产生这种特定裂纹的载荷等级达到了极限的情况。任何大于这一载荷的负载都会导致瞬间失效。相反，在任何负载都小于这一载荷时，由于延性撕裂和裂纹延展的停止，评定点46最终落在评定曲线36之下。如果裂纹是或变成贯穿管壁的裂纹，就会产生渗漏。

可知由于只施加了某一载荷，上述分析只考虑了延性撕裂。假设在撕裂的过程中不包含亚临界裂纹扩展。如果不能够排除这些裂纹扩展的机制(mechanisms)，那么这一分析只能应用在过载的情况下。显然，应当考虑到正常工作压力下的亚临界裂纹扩展，以便在一段使用时间之后估算出裂纹的大小，并且在基于亚临界裂纹扩展率和从撕裂不稳定性基础分析估算出的临界尺寸的基础上能够用来计算寿命周期。

此外，很明显的是可以在评估温度下对含有类似裂纹特征的材料用实验方法建立起J-R之间的关系，用以进行撕裂不稳定性的分析。

提供具有代表性的两个实地实施例来验证撕裂不稳定性方法效用，以用于上述破裂前渗漏的评定。第一个是由于产生了贯穿管壁的SCC裂纹，在16英寸长的O.D管道接头处出现了轻微的渗漏。所述16英寸长的O.D.管道是在1961年由API5LG级X-52钢制成的，并且被设计成可在最大允许工作压力(MAOP)为896psi的压力下工作。第二个是在最近挖掘出的一根26英寸长的O.D管道上发现了贯穿管壁的裂纹，其中该管道是在1956年由API5L级X-52钢制成的，可在MAOP为832psi的压力下工作。

然后进行FAD分析和撕裂不稳定性评定，以估算出裂纹扩张初始和破裂前渗漏时的临界裂纹尺寸。假设在裂纹是单独孤立的裂纹，即在裂纹出现的范围内裂纹之间不会产生相互作用的情形下来考虑这些评定。在评定之前，根据ASTM标准E646、E833和E1820对材料的真正应力应变曲线、J_mat以及J-R曲线进行测量，以便执行较高等级FAD(材料指定方法D)和撕裂不稳定性的评定。

图7示出了三级方法D的评定结果(参考API 579)，表明尺寸大于2英寸的贯穿管壁的裂纹位于评定曲线100外侧，基于裂纹初始标准，这些裂纹用于工作是不能被接受的。

但是，撕裂不稳定性评定显示尺寸小于6.5英寸的贯穿管壁的裂纹不会导致瞬间失效。图8示出了测量得到的J-R曲线110，图9示出FAD的延性撕裂分析112。实际上，2001年在现场检查发现轻微的渗漏，随后在检查中测定与渗漏相关的裂纹为一2.2英寸的贯穿管壁的裂纹。

在第二实施例中对26英寸长的管道进行类似的评定。参考图10，延性撕裂分析表明尺寸小于4.9英寸的贯穿管壁的裂纹不会导致破裂。这一分析结果与挖掘过程中现场观察到的贯穿管壁的裂纹相一致。该裂纹长3.6英寸，其部分已经穿透管壁。图10示出了FAD分析结果。

上述分析是在基于假设为单个裂纹的基础上进行的。但是，SCC形成的裂纹通常为裂纹群或裂纹区。通常，SCC裂纹群包括彼此之间具有一定间隔的不同尺寸的裂纹。断裂力学分析表明在取决于裂纹尺寸、裂纹间隔、载荷条件以及材料特性的情况下，失效从SCC导致的裂纹最严重的地方开始，然后与其他裂纹连在一起形成了大尺寸的裂纹，这种大尺寸的裂纹最终会导致渗漏、破裂或者是渗漏后破裂。

例如，如果在X52管道上的SCC裂纹群中出现了一非常深的SCC裂纹(如占90％wt)，并且根据FAD三级分析，这条裂纹比扩张初始的临界尺寸长，但是又比破裂的临界尺寸短，那么在有利载荷出现的情况下(如工作压力)这条裂纹会通过延性撕裂开始扩展。延性撕裂主要发生在裂纹的最深处，这里的应力强度最高。裂纹能够容易地穿透余下的管壁连结，并导致渗漏。由于新形成的贯穿管壁的裂纹与其邻近的裂纹连接在一起形成了更大的裂纹，因而最终导致产生了破裂。破裂产生与否还取决于连接在一起的裂纹尺寸(例如，基于图11所示撕裂不稳定性分析的基础上的超过4.5英寸长的裂纹)以及局部加载和温度条件。但是，这一转变的时间并不易于预测，它可能会持续数月、几天或者是几个小时。不过，对这种特定情况断口金相分析能够显示出从渗漏到破裂这一转变所持续的时间长度，以便将接头处(距破裂开始的任一侧约15英尺)的温度降低到Charpy(CVN)转变温度。

对于那些较浅但却紧密排列的狭长裂纹(如裂纹深度小于60％wt)，邻近裂纹之间的相互连接是延性撕裂的主要过程。因此，基于撕裂不稳定性的分析，破裂预期为裂纹失效类型中最主要的一种形式。

以上的描述公开了一种使用延性撕裂和撕裂不稳定性分析法的破裂前渗漏标准。这一标准考虑到了在瞬间失效之前产生的非常重要的延性撕裂和稳定裂纹扩张。基于这一标准的评定能够提供出更加精确的预测，并且迄今为止评定与有限的现场观察是一致的。使用这一评定标准得到的初步结果已经表明，在含有裂纹的管道所引起的SCC中破裂前渗漏的几率并没有下降，例如对于X52级钢来说，深度达到90％wt且长度小于4.5英寸的裂纹在破裂前很可能发生渗漏。研究结果表明，如果涉及到破裂前的渗漏，那么除了目前广泛采用的“基于FAD的裂纹发生分析”之外，还应当采用延性撕裂分析以进行完整的评估。研究结果还表明，只凭借应力并不能预测破裂之前的渗漏，反之亦然。必须结合应力、材料特性、温度以及裂纹尺寸才能确定渗漏和破裂导致的失效临界条件。

尽管本发明已经结合典型实施方案进行了说明，但应当理解的是本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围内进行各种改变和元素的等效替换。此外，在不脱离本发明的实质范围内可按照本发明的教导进行多种改进以适应特殊的情况或材料。因此，本发明并不限于在执行本发明的情形下作为最佳模式的、所公开的特定实施方案，而且本发明还包括属于所附权利要求范围内的所有实施方案。

部件列表

10    区域

12    第一压力曲线

14    第二压力曲线

16    上升的曲线或R曲线

18    垂直段

20    直线或G_σi线

22    直线或G_c线

24    交点

26    交点

30    J-R曲线

36    FAD或评定曲线

38    评定点

40    评定点

42    评定点

46    切点

100   评定曲线

110   J-R曲线

112   延性撕裂分析

Claims (10)

1.一种用于评定破裂前渗漏的方法，该方法包括：

采用由基于FAD的裂纹发生分析获得的失效评定图表(FAD)评定曲线(36，100)，用以分析材料中的裂纹；以及

采用与FAD评定曲线(36，100)相结合的延性撕裂分析(112)，以便检测裂纹，其中所述裂纹是在裂纹扩展过程中呈现延性撕裂稳定性和倾向于产生破裂的撕裂不稳定性中至少一种。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述延性撕裂分析还考虑到裂纹扩展过程中材料断裂韧性的增长。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

采用J积分方法，用以对带有裂纹的材料的弹性-塑性断裂特性进行说明，

其中J_app＝裂纹扩展的驱动力，以及

J_mat＝材料抵抗裂纹扩展的阻力。

4.如权利要求3所述的方法，其中表示破裂的撕裂不稳定性标准包括J_app＞J_mat以及 $\frac{\∂J_{\mathrm{app}}}{\∂a}>\frac{\∂J_{\mathrm{mat}}}{\∂a}.$

5.如权利要求4所述的方法，其中当J_app≤J_mat以及 $\frac{\∂J_{\mathrm{app}}}{\∂a}\≤\frac{\∂J_{\mathrm{mat}}}{\∂a}$ 时，裂纹扩展处于稳定状态。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述延性撕裂分析(112)包括：

绘制FAD评定曲线(36，100)；

计算在对应于评定点(38，40，42)的裂纹扩展增量Δa范围内的应力比(L_r)和

的比率；以及

绘制Kr与Lr相对于的评定点(38，40，42)用以对延性撕裂和撕裂不稳定性进行分析。

7.如权利要求6所述的方法，其中L_r是参考应力(σ_ref)与屈服强度σ_y的比值(即σ_ref/σ_y)，所述σ_ref是所施加的应力和裂纹尺寸的函数。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述J_mat是从材料阻力与裂纹扩展增量(Δa)的J-R曲线(30，110)中获得的。

9.如权利要求8所述的方法，其中J-R曲线(30，110)是利用实验方法对该材料在与评定温度对应的温度下建立的。

10.如权利要求6所述的方法，其中所述J_app是在基于所施加的载荷和裂纹形状的基础上计算得到的。

Images