含裂纹海底悬跨管道数值分析研究

2019-09-07马海龙王培伟

冶金与材料 2019年4期

马海龙，王培伟

（1.维吾尔自治区乌鲁木齐高新技术产业开发区应急抢险中心，新疆乌鲁木齐 830011；

2.中石油山东输油有限公司，山东济宁 272000）

1 背景

海底管道作为海上油气田开发的重要组成部分，承担着油气运输的重要功能，更有海上油气田“生命线”之称。由于海底地势复杂（洋流、海浪、地震等）海底管道不可避免的出现悬空。管道悬空改变了原有的承载形式和应力状态大大增加了海底管道发生失效的概率。悬空管段在复杂海况作用下管道极易出现微小缺陷，长期服役慢慢扩展形成裂纹，对管道安全运行形成潜在危险［1-2］。因此，有必要开展海底悬空管道裂纹的分析研究。

2 管道相关参数

我国海底管道铺设主要采用X60管材钢，X60钢材国内标号为L415。管材相关参数见表1所示。管道支撑条件的改变和管道暴露与海洋环境中，会造成多重载荷的作用，主要包括：管道自重、管道内压、海底静水压力、输送液体自重、水流载荷［3］。

表1 X60管材参数%

3 含表面裂纹缺陷管道极限悬空长度确定

悬跨管道主要受弯矩作用，且跨中位置弯矩最大，故环向裂纹对于管道断裂影响较大。裂纹尖端网格划分采用1/4节点奇异单元，裂纹附近区域采用加密四面体单元，整体管道采用六面体单元。管道、载荷和裂纹存在对称性，即取模型1/2为计算模型。

图1 管道网格划分图

以共振为悬空管道判定标准，管道在海流流经时不发生涡激振动为条件来确定管道允许悬跨长度［4］。边界条件为两端简支，裂纹位置和形状尺寸取最危险情况，即 a/t=0.8，a/c=1.0，压力取最大值 7MPa［5-6］。

图2 1/4椭圆裂纹韧性值变化图

由图 2（c）可知，当裂纹相对深度 a/t=0.8，a/c=1.0时，裂纹最深点应力强度因子最小，随着裂纹角度的增加，裂纹各点的应力强度因子也逐渐变大，裂纹角度45°以后增加的迅速，最大点发生在表面点处。

4 不同裂纹形状比对管道裂纹应力强度因子影响

文章都是以裂纹最深点为起始0°，表面点为裂纹角90°。管道外表面微观裂纹在交变力作用下一般会扩展成为宏观半椭圆裂纹［8-9］。

图3 裂纹形状比对应力强度因子影响

由图3知当相对深度a/t=0.2时，a/c=0.6、a/c=0.7时，裂纹最深点的SIF值最大，而随着裂纹角的增加，SIF逐渐变小。裂纹形状比a/c=0.8、a/c=0.9时，裂纹最深点的SIF值先减小后增加。裂纹形状比越大，裂纹SIF增加的速度越快并且增加到表面点时其值要大于裂纹最深点的SIF值。

图4 裂纹最深点应力强度应力变化

由图4知裂纹最深点A的应力强度因子值，随着裂纹形状比的增加而减小。表面点B的应力强度因子值，则随着裂纹形状比的增加而增加。

5 载荷对表面裂纹管道应力强度因子的影响

不同悬跨长度对含裂纹管道应力强度因子影响。取裂纹相对深度a/t=0.4，a/c=0.5，分别取悬跨长度16、20、24、28m，海底管道悬跨段受自身重量和输送介质质量载荷作用。

由图5，裂纹相对深度a/t=0.4，a/c=0.5时，各个悬跨长度随着裂纹角度的增加应力强度因子慢慢减小，裂纹强度因子最大值出现在最深点处。不同海流速度对裂纹应力强度因子的影响。取悬跨长度20m，裂纹相对深度 a/t=0.4，裂纹形状比 a/c=0.5。分别取 0.5、1、1.5、2 m/s，各个流速下裂纹应力强度因子如图7所示。