深水大管径厚壁海底管道ECA评估

[摘 要]根据英国BS7910标准2B级断裂评定准则，对某深水海底管线焊接接头进行了ECA评定，得到了最大铺设应力和最大错边的情况下焊接接头表面和埋藏裂纹的临界尺寸，为海底管线铺设中AUT检验提供了验收标准，有效的降低了焊接返修率，保证了施工速度，节约了成本。

[关键词]海底管线；工程临界评估ECA；焊接缺陷临界尺寸；英国标准BS7910

中图分类号：TU81 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0327-03

[Abstract]According to Level 2B，BS7910 standard fracture assessment criterion， the welding joint of the deep water subsea pipeline has been performed engineering critical assessment （ECA）， obtained the critical surface and embeded flaw size with the maximum laid stress and the axial misalignment. It provides the acceptable criterion for AUT inspection in the process of pipeline laying， effectively reduce the welding repair rate， ensure the installation speed， saving the cost.

[Key words]Subsea Pipeline；Engineering Critical Assessment（ECA）；Weld Flaw Critical Size； BS7910 Standard

1 前言

随着我国海上石油开发行业大规模的发展，越来越多的海底油气管道应用于海上油气输送任务。作为一种典型的焊接结构，海底管道焊接接头往往会不可避免的存在各种焊接缺陷，造成组织性能恶化，使其成为薄弱环节。尤其是对于深海海底管道，受铺设张力、海浪、海流和涡激振动等影响较大，当材料韧性不足时，就会导致裂纹失稳扩展，从而使管道在接头处发生断裂，造成突发性甚至灾难性的事故，因此对焊接接头的缺陷进行科学有效的可靠性评估具有重大意义。

国际上一般采用工程临界评估ECA（Engineering Critical Assessment）的方法分析缺陷对结构安全性的影响。此方法运用断裂力学理论和材料力学性能试验数据，对焊缝缺陷长度、高度的最大允许值进行定量推导。该方法在保证结构安全使用的前提下考虑了经济性，因而在工程结构安全领域得到了越来越广泛的应用。通过实施ECA评估，可使海底管线铺设时获得较大的许用初始焊接缺陷，从而大幅度减少焊接缺陷返修的次数，加速海底管线铺设速度。据统计表明，按照ECA评估确定的可接受缺陷临界尺寸与使用BS4515标准确定的缺陷尺寸相比，管线节点返修率下降约40%。由此可见，该方法可大大提高海底管线铺设速度，降低经济成本。

本文以南海某项目为例，以国际通用的英国国家标准BS7910为依据，根据所铺设管道的性能、焊接方法和安装荷载等条件，对其进行ECA评估。在考虑AUT检验系统误差的基础上，得到缺陷的临界尺寸。为海底管线铺设过程中AUT检验提供了检验标准，降低了经济成本，保障了海底管线安全、顺利、高效的进行铺设工作。

2 BS7910标准简介

BS7910《焊接结构中缺陷的可接受性评定方法》是英国标准协会制定的标准，该标准取代了其制定的PD6493《焊接结构缺陷验收评定方法指南》上升为国家标准，同时也在国际上得到了广泛的承认和使用。它囊括了断裂塑性失稳、疲劳、蠕变及其他失效形式的评定方法。

不同评定级别有不同评定曲线（见图1），通过缺陷的尺寸、位置和实际承受荷载等计算得到评定点坐标，当评定点位于评定曲线与坐标轴所包围的区域内，缺陷可以接受；如果评定点位于评定曲线上，缺陷处于临界状态；如果评定点位于区域外，则缺陷不可接受需要返修。

3 评估的主要参数

3.1 管线和焊缝几何参数

该项目海底管线材质为API 5L X65，管径为762mm，壁厚为28.6mm，壁厚公差为±1mm，管线外混凝土配重层厚度为60mm，管线所处位置最大水深约190m。

管道对接环向焊缝采用全自动焊接，焊接方法为GMAW，U形坡口，表面焊道宽12.5mm，根焊道宽5mm，焊接接头形式参见图2。

焊接试件在铺管船上模拟施工现场环境进行焊接，焊接后试件在船上通过AUT检验后运回试验室进行RT检验，检验合格后用于ECA评估试验。

3.2 管材力学性能和失效评估曲线

在BS7910中规定ECA评估中使用的屈服强度和拉伸强度应为平均值减去两倍均方差所得到的差值。所以首先根据钢管生产厂家提供的材质证书统计了钢管母材的屈服强度和拉伸强度，具体数据见表1：

根据对运回试验室的焊接接头取样进行试验得到母材和焊缝金属的拉伸性能以及CTOD值。拉伸性能试验在室温下进行，母材和焊缝金属各取两个试样，试验结果见表2。

图3是根据试验所得的焊缝和母材应力-应变曲线。

根据母材和焊缝的屈服和拉伸强度以及试验得到的工程应力-应变曲线，得到2B级断裂评定曲线，如图4所示。

截止线为：

4.2 参考应力

表面裂纹处于焊趾处，根据BS7910规定使用Kastner方法计算，根据BS7910建议，埋藏裂纹使用正常约束条件下平板埋藏裂纹参考应力法求解。

4.3 评估结果

通过计算，在最大铺设应力451MPa、最大错边量2mm的条件下，对接环焊缝的缺陷临界尺寸如表4所示：

根据AUT设备厂家提供的数据，本次评估采用1.6mm的检测误差，按照BS7910标准要求，用于现场焊接缺陷验收的曲线临界高度为评估得到的临界高度减去检测误差。若检测到的裂纹尺寸超过表中的尺寸，则缺陷需要返修，否则缺陷可以继续存在。

以表面焊道缺陷为例：考虑AUT设备1.6mm的检验误差后，最大缺陷长度和深度曲线如图7所示，NDT检验出的表面缺陷的尺寸如果位于临界尺寸线的左侧，说明缺陷可以接受，不用返修，如果位于右侧，则缺陷需要返修。

5 结论

根据对本项目海底管线铺设的具体施工环境和荷载条件对焊接缺陷的临界尺寸进行了评估。根据评估结果，在安全和质量有保障的前提下，适当放松了焊接缺陷的接受标准，降低了返修率，对保证施工进度，节约成本具有重要意义。

参考文献

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