含裂紋海底懸跨管道數(shù)值分析研究

馬海龍，王培偉

（1.維吾爾自治區(qū)烏魯木齊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)應(yīng)急搶險(xiǎn)中心，新疆 烏魯木齊 830011；

2.中石油山東輸油有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

1 背景

海底管道作為海上油氣田開發(fā)的重要組成部分，承擔(dān)著油氣運(yùn)輸?shù)闹匾δ?，更有海上油氣田“生命線”之稱。由于海底地勢復(fù)雜（洋流、海浪、地震等）海底管道不可避免的出現(xiàn)懸空。管道懸空改變了原有的承載形式和應(yīng)力狀態(tài)大大增加了海底管道發(fā)生失效的概率。懸空管段在復(fù)雜海況作用下管道極易出現(xiàn)微小缺陷，長期服役慢慢擴(kuò)展形成裂紋，對管道安全運(yùn)行形成潛在危險(xiǎn)［1-2］。因此，有必要開展海底懸空管道裂紋的分析研究。

2 管道相關(guān)參數(shù)

我國海底管道鋪設(shè)主要采用X60管材鋼，X60鋼材國內(nèi)標(biāo)號為L415。管材相關(guān)參數(shù)見表1所示。管道支撐條件的改變和管道暴露與海洋環(huán)境中，會造成多重載荷的作用，主要包括：管道自重、管道內(nèi)壓、海底靜水壓力、輸送液體自重、水流載荷［3］。

表1 X60管材參數(shù)%

3 含表面裂紋缺陷管道極限懸空長度確定

懸跨管道主要受彎矩作用，且跨中位置彎矩最大，故環(huán)向裂紋對于管道斷裂影響較大。裂紋尖端網(wǎng)格劃分采用1/4節(jié)點(diǎn)奇異單元，裂紋附近區(qū)域采用加密四面體單元，整體管道采用六面體單元。管道、載荷和裂紋存在對稱性，即取模型1/2為計(jì)算模型。

圖1 管道網(wǎng)格劃分圖

以共振為懸空管道判定標(biāo)準(zhǔn)，管道在海流流經(jīng)時(shí)不發(fā)生渦激振動為條件來確定管道允許懸跨長度［4］。邊界條件為兩端簡支，裂紋位置和形狀尺寸取最危險(xiǎn)情況，即 a/t=0.8，a/c=1.0，壓力取最大值 7MPa［5-6］。

圖2 1/4橢圓裂紋韌性值變化圖

由圖 2（c）可知，當(dāng)裂紋相對深度 a/t=0.8，a/c=1.0時(shí)，裂紋最深點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度因子最小，隨著裂紋角度的增加，裂紋各點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子也逐漸變大，裂紋角度45°以后增加的迅速，最大點(diǎn)發(fā)生在表面點(diǎn)處。

4 不同裂紋形狀比對管道裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子影響

文章都是以裂紋最深點(diǎn)為起始0°，表面點(diǎn)為裂紋角90°。管道外表面微觀裂紋在交變力作用下一般會擴(kuò)展成為宏觀半橢圓裂紋［8-9］。

圖3 裂紋形狀比對應(yīng)力強(qiáng)度因子影響

由圖3知當(dāng)相對深度a/t=0.2時(shí)，a/c=0.6、a/c=0.7時(shí)，裂紋最深點(diǎn)的SIF值最大，而隨著裂紋角的增加，SIF逐漸變小。裂紋形狀比a/c=0.8、a/c=0.9時(shí)，裂紋最深點(diǎn)的SIF值先減小后增加。裂紋形狀比越大，裂紋SIF增加的速度越快并且增加到表面點(diǎn)時(shí)其值要大于裂紋最深點(diǎn)的SIF值。

圖4 裂紋最深點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)力變化

由圖4知裂紋最深點(diǎn)A的應(yīng)力強(qiáng)度因子值，隨著裂紋形狀比的增加而減小。表面點(diǎn)B的應(yīng)力強(qiáng)度因子值，則隨著裂紋形狀比的增加而增加。

5 載荷對表面裂紋管道應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響

不同懸跨長度對含裂紋管道應(yīng)力強(qiáng)度因子影響。取裂紋相對深度a/t=0.4，a/c=0.5，分別取懸跨長度16、20、24、28m，海底管道懸跨段受自身重量和輸送介質(zhì)質(zhì)量載荷作用。

由圖5，裂紋相對深度a/t=0.4，a/c=0.5時(shí)，各個(gè)懸跨長度隨著裂紋角度的增加應(yīng)力強(qiáng)度因子慢慢減小，裂紋強(qiáng)度因子最大值出現(xiàn)在最深點(diǎn)處。不同海流速度對裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。取懸跨長度20m，裂紋相對深度 a/t=0.4，裂紋形狀比 a/c=0.5。分別取 0.5、1、1.5、2 m/s，各個(gè)流速下裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子如圖7所示。

圖5 不同懸跨長度下裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子大小

圖6 不同海流速度下裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子大小

隨著裂紋角度增加，各速度下半橢圓裂紋各點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度因子變化趨勢基本相同，平穩(wěn)減小到裂紋角45°時(shí)迅速減小，到最后裂紋表面時(shí)又緩慢減小。由圖7得隨著管道內(nèi)壓的增加，裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子隨之增加，且裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子增加的幅度和管道內(nèi)壓增加的幅值呈正比。

圖7 壓力對管道裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子影響

綜上分析可知管道懸空長度和內(nèi)壓波動對裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子影響較大，海流速度影響不大但海流速度是渦激振動的重要影響因素，海流速度影響管道的上下左右振動，是引起裂紋擴(kuò)展的重要載荷。

7 結(jié)語

（1）懸空長度為40m的兩端簡支管道，當(dāng)裂紋相對深度a/t=0.8，形狀比a/c=1.0時(shí)，裂紋最深點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度因子最小，隨著裂紋角度的增加，裂紋各點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子也逐漸變大，最大點(diǎn)發(fā)生在表面點(diǎn)處。

（2）表面裂紋隨著懸空長度和海流速度增加，裂紋SIF增加，且增加的幅度越來越大，而裂紋SIF值隨著管道內(nèi)壓的增加呈現(xiàn)相應(yīng)等幅增加。