钢悬链线立管环焊缝ECA断裂疲劳评估技术

(海洋石油工程股份有限公司， 天津300450)

0 引 言

钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR)概念是在20世纪90年代提出的，经过20多年的发展，现已成为深水开发的首选立管形式。与顶部张力立管、柔性立管相比，SCR具有成本低、结构简单、无需顶张力补偿、对浮体的漂移运动和升沉运动的适应能力强、适用于高温高压环境等优点[1-2]。随着深水开采活动的大量增加，SCR必将得到越来越广泛的应用。目前，SCR已经被成功应用于多个国外项目中，但是在国内鲜有实例，因此开展相关研究具有重大意义。

深水SCR由标准长度的钢管焊接而成，虽然结构形式比较简单，但是其在深水服役过程中，受波浪等循环载荷的作用易产生疲劳失效问题。本文通过工程临界评估(Engineering Critical Assessment, ECA)断裂疲劳评定方法，运用Crackwise软件[3]，对SCR环焊缝的临界缺陷尺寸进行计算。同时，开展了临界缺陷尺寸对两种常见焊接缺陷(错边和角变形)的敏感性分析。

1 ECA断裂疲劳评定方法

ECA断裂疲劳评定是建立在断裂评定和疲劳评定的基础上对结构同时承受静载荷与动载荷情形下的评定，其本质是将两种情况的评定合二为一。因此，断裂疲劳评定具体分为两部分：疲劳裂纹扩展与裂纹扩展的同时对现行裂纹进行断裂安全评定，直到裂纹尺寸达到临界值。具体来说，ECA疲劳评估是将实际缺陷理想化为尖锐的裂纹，然后用断裂力学中的裂纹扩展速率的定律对其从初始裂纹a0到临界裂纹af进行积分，得出裂纹的扩展寿命N，如果疲劳寿命N已经达到设计疲劳寿命而裂纹的极限尺寸还没有达到，则该缺陷可以接受，反之则不能接受。同时，疲劳评估过程中可以得到不断扩展的实时裂纹值，将这些数值进行断裂评估，通过失效评定图(Failure Assessment Diagram, FAD)的方法判断裂纹是否满足安全要求，如果扩展过程中裂纹不安全，则终止裂纹扩展，输出此时的裂纹尺寸。本文将断裂评估和疲劳评估结合起来进行断裂疲劳评估，具体的断裂疲劳评估内容可以参照图1的步骤进行。考虑到立管结构的形状、材料和力学性能等数据的准确度，本文采用适当保守程度的BS 7910:2005 Level 2A作为断裂评定等级。

图1 断裂疲劳评估步骤示例

2 评估参量确定

2.1 焊接工艺

所评估的SCR母材为X65级管线钢，标称外径为355 mm，标称厚度为19.1 mm，环焊缝焊接采用熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Welding, GMAW)工艺，焊接位置为5G。

2.2 缺陷尺寸

评估时只考虑裂纹为主的平面型缺陷，按照缺陷位置可以分为外表面缺陷、内表面缺陷和埋藏缺陷。表面缺陷主要尺寸有缺陷深度a和缺陷宽度2c。埋藏缺陷主要尺寸有缺陷深度2a、缺陷宽度2c和缺陷与上表面的距离ρ。

2.3 力学性能

焊缝的拉伸性能参数包括屈服强度σY、抗拉强度σU，评估中不考虑屈服平台的影响。同时，按照ISO 15653标准进行断裂韧性试验，获取的断裂韧性值根据BS 7910进行断裂韧性数据的统计处理，最终获得的拉伸性能参数和断裂韧性参数(裂缝尖端开口位移，Crack-Tip Opening Displacement, CTOD)如表1所示。

表1 拉伸性能参数和断裂韧性参数统计

2.4 载荷

本文载荷数据来自于海洋石油工程股份有限公司的设计公司，以中国南海某典型海洋环境条件下常规SCR为研究对象，依据国际通用的API-RP-2RD规范，应用OrcaFlex软件进行SCR荷载计算分析研究。计算时，选取SCR悬挂段和着泥段两个位置进行分析，每个位置考虑8个方向(0°～360°)，计算时间为3 600 s。在进行疲劳断裂评定时，应选取8个方向中应力范围最大的载荷谱并依照IIW焊接结构疲劳设计推荐的雨流法对载荷谱进行处理[4]。最后，将3 600 s的载荷谱换算成设计寿命25年里的应力范围与对应的循环次数。表2给出本文所采用的悬挂段和着泥段的疲劳载荷。

表2 悬挂段和着泥段的疲劳载荷

2.5 残余应力

存在于管道中的残余应力在ECA评估中通常按照二次应力来处理，并且残余应力必须进行线性化处理，将其划分为二次膜应力和二次弯曲应力。本次立管ECA评估中将二次膜应力定义为材料的屈服强度，而二次弯曲应力接近于零。

2.6 缺陷扩展规律

焊缝的拉伸性能参数包括屈服强度σY、抗拉强度σU，评估中不考虑屈服平台的影响。

在BS 7910-2013[5]中裂纹扩展规律采用的Prais公式为

(1)

将ΔK代入式(1)，即可得到裂纹尺寸扩展量，再加上计算之前的裂纹尺寸，即得到新的裂纹尺寸。在本疲劳评定程序中缺省项是BS 7910推荐的具有两条直线的裂纹扩展定律，其具体参数如表3所示。

表3 BS 7910推荐的具有两条直线的裂纹扩展速率

2.7 错边和角变形

焊接缺陷对焊接结构的疲劳性能有着重要的影响，本文研究的焊接缺陷包含错边和角变形，其中错边量选取不同值为0 mm、0.50 mm、0.75 mm、1.00 mm、1.50 mm、1.91 mm，角变形选取不同值为0°、0.5°、1.0°、1.5°、2.0°。

3 评估结果

3.1 临界缺陷尺寸

图2和图3分别给出了SCR两个关键区域着泥段和悬挂段临界疲劳缺陷尺寸。从图2可以看出，外表面缺陷是在外表面、内表面和埋藏等3种缺陷类型中最为危险的，埋藏缺陷的临界尺寸随着缺陷与外表面距离的增大而增大。比较图2和图3可以发现，悬挂段所允许的缺陷尺寸要比着泥段小很多，在实际生产中，应该对悬挂段的焊接工艺和成形提出更严格的要求。

图2 着泥段临界疲劳缺陷尺寸 图3 悬挂段临界疲劳缺陷尺寸

3.2 敏感性分析

采用着泥段的载荷数据进行敏感性分析，并计算在不同错边量和角变形下的外表面缺陷尺寸，结果如图4和图5所示，可以看出，随着错边量和角变形的增大，获得的临界疲劳缺陷尺寸减少。

图4 临界疲劳缺陷尺寸与错边量的关系 图5 临界疲劳缺陷尺寸与角变形的关系

错边和角变形对疲劳缺陷尺寸的影响主要是通过改变接头的应力集中系数实现的。为了进一步比较临界疲劳缺陷尺寸对错边和角变形的敏感性，将不同错边量和角变形对应的应力集中系数汇总如表4所示。以错边量x1和角变形x2为自变量，总应力集中系数Km为因变量进行多元线性回归分析，计算式如式(2)所示，根据错边量和角变形的系数可以看出，角变形对应力集中系数的影响程度比错边的影响大约6倍，进一步说明角变形对临界疲劳缺陷尺寸的影响要比错边大：

Km=0.17x1+1.07x2

(2)

表4 不同错边量和角变形对应的应力集中系数

4 结 论

为了解决SCR在深水服役过程中容易产生疲劳失效的问题，对含有缺陷的SCR环焊缝进行ECA断裂疲劳评估，并分析缺陷允许尺寸对错边和角变形的敏感性，得到的主要结论如下：

(1) 在外表面、内表面和埋藏等3类缺陷中，外表面缺陷最为危险，埋藏缺陷的临界尺寸随着缺陷与外表面距离的增大而增大；

(2) SCR的悬挂段所允许的缺陷尺寸要比着泥段小；

(3) 角变形和错边对缺陷允许尺寸都有一定影响，角变形的影响较错边大。