海洋管道卷管式铺设断裂评估方法研究

摘要

卷管式铺设是最为经济、高效的海洋管道铺设方法，但是卷管式铺设的主要缺点是，在铺设过程中，管道不可避免的发生1-3%塑性应变；由于地质运动，服役管道也不可避免的会经受大的塑性应变。由于管段通过环焊缝进行连接，焊缝中会出现裂纹、未熔合等焊接缺陷。为避免管道在安装、服役阶段发生断裂失效，必须进行断裂评估。针对评估标准中的不足，论文的内容主要集中在两个方面：大变形管道中环向裂纹的裂纹扩展驱动力估算；焊缝金属的裂纹扩展阻力曲线测试。 提出了修正的参考应变法，此法将以应变为基础的失效评定图法的应用范围扩展到卷管铺设过程中含较深环向表面裂纹管道的断裂评估。与其他因素相比，裂纹深度、裂纹长度、屈强比对参考应变的影响较为显著，因此，将参考应变定义为裂纹深度、裂纹长度、屈强比的函数，提出了参考应变的计算公式。并且，进一步证明了使用此经验公式用于卷管铺设过程中管道的断裂评估是保守的。 为对大变形服役管道中环向表面裂纹进行断裂评估，基于Von Mises屈服准则，对只承受轴向拉伸载荷的含环向表面裂纹管道的Kastner极限载荷解进行了修正，使修正的Kastner解适用于大变形服役管道的断裂评估。为进一步提高断裂评估的准确程度，采用了优化的参考应力法对修正的 Kastner解进行了优化，给出了无量纲参数γ的计算公式。 三维有限元分析的结果表明，将表面裂纹的断裂评估结果应用于深埋埋藏裂纹的评估是过于保守的，为降低评估的保守程度，引入了调整参数F。由于深埋埋藏裂纹高度(2ae/t),对F影响显著，假定其为的2ae/t函数。当引入参数F后，深埋埋藏裂纹的裂纹尖端拘束仍然低于表面裂纹的裂纹尖端拘束，进一步证明了参数F的有效性。 为保证冶金复合管或机械复合管中环焊缝的耐蚀性，通常使用Ni基合金作为填充材料，导致焊缝金属的屈服强度低于母材的屈服强度。为测试低强匹配焊缝金属的断裂韧度，基于平面应变有限元分析，通过变化夹持加载和销钉加载单边缺口拉伸试样的裂纹深度、焊缝金属强度匹配水平，计算了不同单边缺口拉伸试样的塑性η因子，给出了塑性η因子的计算公式。 最后，给出了大变形管道中环向裂纹的断裂评估流程。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 断裂力学基础

1.3 断裂评估方法综述

1.4大变形管道断裂评估研究现状

1.5 管线钢断裂韧度测试

1.6 课题的来源、目的及主要内容

第二章 基于改进参考应变法的卷管铺设中管道断裂评估

2.1 引言

2.2 SB-FAD法简介

2.3 参考应变的估算过程

2.4 参考应变计算公式简化

2.5 参考应变计算公式验证

2.6改进的参考应变法与其他方法相比较

2.7 改进的参考应变法的优点及应用范围

2.8 本章小结

第三章 基于优化参考应力法的服役阶段大变形管道断裂评估

3.1 引言

3.2 参考应力法简介

3.3 优化的参考应力法简介

3.4 γ的计算过程

3.5 数值模型

3.6 改进的Kastner极限载荷解

3.7 优化的Kastner极限载荷解

3.8 本章小结

第四章 改进的大变形管道中深埋埋藏裂纹断裂评估方法

4.1 引言

4.2 数值模型

4.3 J-Q理论及MBL法

4.4 DNV-RP-F108处理深埋埋藏裂纹方法验证

4.5 BS 7910处理深埋埋藏裂纹方法验证

4.6 F的推导过程

4.7 影响参数F因素分析

4.8 表面裂纹与埋藏裂纹裂纹尖端拘束比较

4.9 本章小结

第五章 含低强匹配焊缝金属SE(T)试样塑性η因子研究

5.1 引言

5.2 数值模型

5.3 塑性η因子解计算

5.4 焊缝宽度对塑性η因子的影响

5.5 低强匹配水平对塑性η因子的影响

5.6 塑性η因子公式

5.7 基于平面应变与三维有限元分析的塑性η因子比较

5.8 本章小结

第六章 管道卷管铺设及服役阶段断裂评估流程

6.1 前言

6.2 所需的输入参数

6.3 卷管铺设中管道断裂评估流程

6.4 大变形服役管道断裂评估流程

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢