基于BS 7910復合管海底管道對接焊縫ECA評估研究

周聲結 王文龍 鄧彩艷 王東坡

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；2.天津大學材料科學與工程學院，天津300072；3.天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室，天津300072）

0　前言

海底管道是海上油氣田開發(fā)生產系統(tǒng)的主要組成部分，也是目前較快捷、安全和經濟可靠的海上油氣運輸方式[1]。由于管道的工作環(huán)境十分苛刻，易受風浪、潮流、冰凌等外部干擾，也易被石油中含有的H2S，CO2和水等化學物質腐蝕，從而造成巨大的經濟損失和環(huán)境污染等[2]。因此，正確評價管道的安全性非常重要。

為了滿足管道高強度、高耐腐蝕性、高耐磨性等要求，一種新型石油管材——雙金屬復合管誕生了。雙金屬復合管又稱為包覆管，由兩種不同的金屬材料通過一定的方法組合而成[3]，兩層金屬管之間通過變形或連接技術緊密地結合起來。雙金屬復合管具備了基管和覆管的最佳性能，具有較高的強度、剛性和韌性，具有一定的抗破裂能力，還降低了貴金屬的利用率，提高了經濟效益[4]。本研究針對復合管海底管道敷設工程對接環(huán)焊縫缺陷進行工程極限評估（ECA），該評估的目的是在無損檢測過程中遵循DNV OSF101—2008[5]的基礎上重新界定相控陣超聲檢測的管道環(huán)焊缺陷尺寸可接受的臨界值。

1　評估參量確定

在本研究中，考慮的裂紋類型為處于熱影響區(qū)及焊縫的環(huán)向表層裂紋。

1.1　焊接工藝

復合管由316L內襯管和X65管線鋼基管組成。通過水下爆燃快速將內襯管復合至基管內而形成完整的復合管。X65基管的壁厚14.3 mm，316L不銹鋼管的壁厚3 mm。將基管管端內表面40～60 mm范圍內去除4 mm厚度，再采用INCONEL625堆焊填充，海管敷設過程中對接環(huán)焊縫焊材也采用INCONEL625材料。

1.2　力學性能

在室溫（20℃）下，對管體及焊縫進行了拉伸性能測試，結果見表1和表2。

表1　復合管管體縱向拉伸試驗結果

表2　復合管焊縫拉伸試驗結果

從管體和焊縫的力學性能對比發(fā)現(xiàn)，所分析的焊接接頭中，焊縫力學性能明顯高于管體，屬于高匹配。根據(jù)BS 7910[6]，對位于熱影響區(qū)缺陷的評估應使用兩者中的較低值，因此本次評定中使用了管體的屈服強度。

1.3　斷裂韌性

斷裂韌性由裂紋張開位移（CTOD）來確定，按照DNV-OS-F101有關ECA評估對CTOD試驗的取樣要求，焊縫試樣采用貫穿厚度缺口B×2B標準三點彎曲試樣，數(shù)量為3件；熱影響區(qū)采用B×B表層缺口三點彎曲試樣，數(shù)量為6件，根據(jù)BS 7448[7]進行CTOD試驗，測得10℃下焊縫和熱影響區(qū)CTOD值見表3。

表3　復合管焊縫和熱影響區(qū)CTOD值測試結果

在本次評估中，出于安全因素考慮，選取焊縫和熱影響區(qū)最低CTOD值0.505 1 mm作為ECA評估分析斷裂韌性值。

1.4　靜態(tài)應力

靜態(tài)應力值最大不超過屈服強度的85%，本例屈服強度為448 MPa，故靜態(tài)應力最大值取381 MPa。再結合材料性能和水深因素（水深為91.6 m）進行ECA評估，得出允許裂紋尺寸。

1.5　安裝過程中循環(huán)應力

安裝過程中除了靜態(tài)應力還應包含由波浪引起的動載荷在環(huán)焊縫截面產生的循環(huán)應力。管道敷設過程中海浪周期Ts=4 s，每根鋼管長度為12.19 m，每根鋼管的敷設時間為2 880 s（24 h敷設30根鋼管）。91.6 m水深工況下從拉緊器到海床之間管道線總長約428.80 m，約36根鋼管，則這段時間對應25 920次海浪循環(huán)。管道安裝在水下進行，除了環(huán)焊縫處其余部位都有固體保護層。環(huán)焊縫并不是暴露在海水腐蝕環(huán)境中，因為管子接頭包裹著膠泥，能很好地阻止海水侵蝕，故可借鑒BS 7910推薦的空氣中具有兩段疲勞裂紋擴展速率上限值，見表4。BS 7910中使用的疲勞裂紋擴展速率，即Paris公式:

表4　BS 7910推薦的具有兩段曲線裂紋擴展速率

1.6　殘余應力

在進行二級評定時，由于環(huán)焊縫殘余應力分布未知，因此根據(jù)BS 7910，認為殘余應力等于焊縫和管體屈服強度較小者，這是一種保守的處理方法。

1.7　錯邊引起的應力集中計算方法

在容許裂紋尺寸求解中，考慮最大錯邊情況。根據(jù)DNV目測檢驗接受標準，最大可容許錯邊值（emax）為管道壁厚0.15倍（0.15t）和3 mm兩者中的較小者。在本次評定中，emax取值0.15t（2.15 mm）。利用BS 7910中給出由于錯邊引起的應力集中因子的計算公式，

求解得到的容許裂紋尺寸偏于保守。

使用Connelly和Zettlemoyer公式用于復合管環(huán)縫焊接缺陷容許缺陷尺寸的評估，式中km為錯邊引起的應力集中系數(shù)，tthick和tthin分別為兩個對接管的壁厚，根據(jù)DNV OS-F101，其值與名義管道壁厚存在±12.5%偏差。當存在最大錯邊情況下，求解得km最大為1.22，對于不存在錯邊情況下km=1.0。錯邊影響由作用在管道厚度上的局部彎曲應力Pb=（km-1）Pm來加以考慮。

1.8　焊趾區(qū)域應力集中計算方法

當表層裂紋位于局部應力集中區(qū)（如焊趾部位）時，計算應力強度因子KI有必要考慮局部應力集中的影響。當z=0.15 mm時，應力強度因子修正系數(shù)Mk為最大值，Mk取值位于該最大值和1.0之間。求解Mk的表達式為

式中:z為裂紋從平板表面沿垂直方向擴展的最大深度；v和w見表5，表中L為焊縫寬度，B為壁厚。

表5　軸向以及彎曲載荷下v和w值

根據(jù)環(huán)焊縫宏觀照片及坡口和壁厚尺寸進行估算，環(huán)焊縫寬度L取值為13.6 mm。

1.9　安全因子確定

在評估中選擇適合缺陷尺寸的分項安全因子時，首先應確定目標失效概率水平。BS 7910標準中的附錄K給出了特定的失效概率值。考慮到失效的中等后果（指有潛在的經濟損失而沒有生命危險的威脅），使用0.001次/年的目標失效概率。

基于所選用的目標失效概率值，分項安全因子和概率分布系數(shù)見表6。

表6　ECA評估中局部安全因子和概率分布系數(shù)

1.10　參考應力

BS 7910中，建議使用局部屈服加載，因為該載荷通常小于等于全面屈服載荷，因此在使用FAD圖進行評定時可以得到較為保守的結果。為了繪制失效評定點，必須求解得到承載比值Lr=σref/σy， 因此需計算凈截面參考應力σref。

在本次分析中，認為表層裂紋處于管道外表層焊趾處。根據(jù)BS 7910，建議使用根據(jù)Kastner等人得到的對于在管道中環(huán)向表層裂紋的參考應力的求解方法，該公式如下:

其中:

式中:r為管道平均半徑；ri為管道內半徑；Pm為膜應力；Pb為彎曲應力。

2　評定結果

采用上述評定流程，針對崖城13-4海底管道復合管環(huán)焊縫進行安全評估。水深91.6 m動載系數(shù)25%，錯邊為0.15t條件下二級斷裂評定+疲勞評定的部分結果如圖1所示。

圖1　HAZ外表層裂紋缺陷長度與深度關系

在實際應用中不推薦焊縫或熱影響區(qū)接受尺寸很大或很深的缺陷，因此，推薦最大可接受裂紋長度為管體平均周長15%，表層裂紋最大可接受深度為管子壁厚33%，埋藏裂紋最大可接受深度為表層裂紋深度125%。

對于本次評定的管體，外徑219.1 mm，壁厚17.3 mm，則最大可接受的裂紋長度約100 mm，表層裂紋深度5.7 mm，埋藏裂紋深度7.1 mm。將上述通過ECA評估獲得的焊接缺陷接受尺寸提供給崖城13-4海底管道敷設項目組，為該復合管道焊接敷設提供參考依據(jù)，為工程順利進行提供有力的技術支持。由于ECA評估給出的焊接缺陷驗收尺寸較DNV-OS-F101規(guī)定尺寸寬松，可見復合管含缺陷焊接接頭安全裕度很高，復合管值得在海底管道建設中推廣應用。

3　結論

（1）依據(jù)英國標準BS 7910對海底管道X65基管+316L內襯復合管對接環(huán)焊縫表層裂紋進行了評定。在評定計算中分別考慮應力集中和殘余應力的影響，給出了在敷設條件下表層裂紋容許尺寸，為管道敷設工程中的焊接缺陷驗收和拒收提供了依據(jù)。

（2）復合管含缺陷焊接接頭安全裕度很高，說明復合管安全性能優(yōu)異，值得在海底管道建設中推廣應用。

參考文獻：

［1］劉曉昀.我國海底管道及焊接技術［J］.中國造船，2003，44（S）:65-70.

［2］劉永和.海底管道腐蝕防護系統(tǒng)的完整性評價方法的研究［J］.化學工程師，2013（04）:58-60.

［3］陳海云，徐長林.雙金屬復合管塑性成形機理與應用［J］.給水排水，2005（04）:16-18.

［4］李春強，鄭立允.冶金復合雙金屬觀界面力學性能研究［D］.河北:河北工程大學，2012.

［5］DNV-OS-F101:2008，Submarine Pipeline Systems［S］.

［6］BS 7910:1999，Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Fusion Welded Structure［S］.

［7］BS 7448 Part 1&Part 2，F(xiàn)racture Mechanics Toughness Tests，Part1.MethodforDeterminationofKIC，CriticalCTOD and Critical J Values of Welds in Metallic Materials［S］.