含裂纹抗拉铠装钢丝注气柔性管道结构完整性分析方法开发

《Marine Structures》：Development of a structural integrity analysis methodology for gas injection flexible pipes with tensile armor wires containing cracks

　　

•提出了一种结构完整性方法，用于估算气体注入柔性管中含裂纹的抗拉铠装的失效时间。
•利用符号回归方法对气体注入柔性管的解剖数据进行分析，开发了一个数据驱动的SCC CO2裂纹扩展速率方程。
•将SCC CO2和疲劳裂纹扩展速率进行叠加，以模拟运行条件下的裂纹演化。
•利用失效评估图（FAD）计算程序确定临界裂纹尺寸，该程序考虑了制造和极端载荷产生的应力。
•通过流程线和立管案例研究，量化了裂纹几何形状和载荷条件对失效时间预测的影响。

引言

如图1所示，无粘结柔性管是一种用于海上应用的柔性结构，用于在海底设施与浮式生产单元之间输送流体，如碳氢化合物、气体和水。其复合结构由提供所需强度的金属层组成，并结合了确保流体密封性和通过防止相邻金属部件直接接触来减少磨损的聚合物层[1]。

柔性管的设计通过验证每一层是否满足相关行业标准和推荐实践中规定的各项设计准则来进行，例如ISO 13628–2:2006 [2]、API RP 17B [3]和API Spec 17J [4]，针对给定的失效模式及相关失效机理。值得注意的是，抗拉铠装设计在此过程中往往具有挑战性，因为这些负责承受轴向载荷的层必须同时满足动态应用中的极端静载荷和疲劳使用寿命要求。

极端工况分析评估了抗拉铠装对在柔性管使用寿命内发生概率较低的事件（例如100年一遇事件[3]）的响应。根据载荷组合，抗拉铠装的局部应力不得超过0.85的利用率系数[4]。另一方面，抗拉铠装层的疲劳设计必须考虑完好（即干燥）和淹没环腔条件[4]。

如图2所示，环腔是内外聚合物护套之间的区域，这些护套在被称为端接件的末端被密封[1]。然而，这些层对输送流体中的某些化学成分具有渗透性，如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和硫化氢（H2S）。此外，由于外护套破损或渗透的水蒸气冷凝，环腔中也可能存在水。因此，环腔中可能会形成腐蚀性环境，腐蚀性水平取决于酸性气体的渗透速率和平衡压力[[5]，[6]，[7]]。环腔环境使用定制的 Calculation 工具进行估算，该工具采用数值方法求解热方程和扩散方程，并在环腔中建立热力学平衡[[7]，[8]，[9]，[10]]。另一方面，文献报道指出，环腔区域的高度约束性导致碳钢层的腐蚀速率低于非约束环境[11,12]。

历史上，除了均匀腐蚀之外，环腔中腐蚀现象的主要关注点是金属层的硫化物应力开裂（SSC）和氢致开裂（HIC），尤其是由抗拉强度（σu）超过1200 MPa的高强钢制成的抗拉铠装钢丝[13,14]。因此，这些材料必须经过全面的材料鉴定程序，符合ISO 15156–2:2020 [15]等标准中规定的要求。

然而，最近在巴西盐下层海域的发现给油气行业带来了许多挑战，其中输送流体中的高二氧化碳含量尤为突出[16]。因此，环腔中可能形成高逸度环境，尽管约束程度很高，但铠装钢丝已被观察到容易产生裂纹[17]。这种机制在柔性管金属层中的首次发现是在2016年，当时一根已运行2年的气体注入管发生失效，经鉴定为二氧化碳引起的应力腐蚀开裂（SCC CO2）[18]。在当时，由于其前所未有的性质，这种失效机制尚未在API RP 17B [19]和API Spec 17J [20]中考虑。2024年，这些标准的新版本发布[3,4]，将SCC CO2确定为一个完整性管理系统必须考虑的新失效机制，并建立了测试要求。

SCC CO2在这些层中的一个主要影响是柔性管使用寿命的潜在缩短，这直接影响完整性管理过程。根据巴西国家石油、天然气和生物燃料局（ANP）发布的安全警示012，高强度材料（即σu在1200至1500 MPa之间）可能存在3至5 bar之间的开裂CO2逸度阈值，而较低强度的钢材对SCC CO2的敏感性较低[21]。

应力腐蚀开裂（SCC）现象在刚性管道中也已被观察到[[22]，[23]，[24]]，在足够的暴露时间下，这种环境辅助开裂（EAC）机制是三个因素协同作用的结果：腐蚀性环境、敏感材料和拉应力。对于刚性管道，已识别出两种形式的SCC：高pH值SCC（HpHSCC）和近中性pH值SCC（NNpHSCC）。HpHSCC发生在浓缩的碳酸盐/碳酸氢盐环境中，pH值在9到11之间，通常表现为晶间裂纹扩展[[17]，[22]]。相反，NNpHSCC发生在涂层失效下的土壤溶液中，pH值在5.5到8之间，主要表现为穿晶形态[17,25,26]。针对这些系统的大多数现有预测模型都是以氢脆强化的腐蚀-疲劳机制为基础的[22]，[26]，[27]，[28]。

然而，柔性管中的SCC CO2与这些经典形式存在根本差异，这使得刚性管道模型的直接应用成为不可能。在环境方面，柔性管铠装运行在环腔区域，该区域的特征是极端约束，体积与表面积（V/S）比通常小于0.1 ml/cm2 [29]。在力学方面，虽然刚性管道评估主要关注来自压力波动的环向应力，但柔性管铠装承受的是由外部载荷和制造效应产生的更为复杂的应力状态。抗拉铠装钢丝同时受到张力、压力和曲率相关应力的作用，并且由于制造过程中多个成形步骤施加的严重塑性变形，还会积累大量的残余应力和弹性应力[[30]，[31]，[32]，[33]，[34]]。此外，现有的刚性管道模型并未明确表示高强度材料和环腔的曲率效应，后者造成了显著的环境异质性[5]。由于这些特殊性，柔性管中的SCC不能与刚性管道中观察到的经典形式直接等同，需要开发专门的方法来评估结构层的完整性。

因此，在抗拉铠装钢丝中首次发现SCC CO2之后，开发预测模型以估算其失效时间变得至关重要，因为传统设计方法未考虑结构层中的裂纹。然而，还识别出了一些额外困难，包括预测环腔环境和作用在钢丝上的总应力。后者对应于由外部载荷（如压力和应用张力）、制造过程产生的残余应力以及为了抗拉铠装钢丝达到所需几何配置而施加的弹性装配应力的组合[5,33]。根据Hanonge等人[5]的研究，这些参数是评估SCC CO2发生风险最重要的因素。

因此，本文提出了一种估算气体注入（GI）柔性管中含裂纹的抗拉铠装钢丝失效时间的方法，通过整合两个关键组成部分：裂纹扩展速率和临界裂纹尺寸。具体而言，裂纹扩展速率被建模为两种机制的组合，即SCC CO2和疲劳，从而能够全面预测随时间的裂纹扩展。基于从现场取回的气体注入柔性管的解剖数据，采用符号回归（SR）方法开发了一个方程来估算SCC CO2裂纹扩展速率，并使用Paris定律[35]计算疲劳裂纹扩展速率。然后将预测的裂纹扩展与使用断裂力学原理和失效评估图（FAD）确定的临界裂纹尺寸进行对比，同时考虑制造过程和极端运行载荷产生的应力。该方法的理论框架，包括SCC CO2裂纹扩展速率方程和临界裂纹尺寸计算，将在后文呈现，随后将通过失效时间分析展示所提方法的适用性。

章节片段

概述

在本工作中，假设裂纹在外表面萌生并沿y方向贯穿钢丝厚度扩展，裂纹面平行于x-y平面，如图3所示。所提出的方法基于估算总裂纹扩展速率（dadt）tot，通过将SCC-CO2和疲劳裂纹扩展速率叠加得到，并将该速率对时间进行积分，直到达到临界裂纹尺寸acrit，从而提供估算的失效时间。

参考柔性管结构和制造工艺参数

抗拉铠装在制造工艺和最终装配测试（FAT）后的应力状态及其对外部载荷的响应，取决于柔性管的结构和材料性能。因此，本工作考虑了表5中所述的流程线和立管柔性管虚拟结构，其特征与实际的GI管相似。通常，立管和流程线之间的主要差异在于铠装钢丝铺设角和FAT压力。由于立管...

结论

本文介绍了一种针对含裂纹抗拉铠装钢丝的GI柔性管的结构完整性分析方法，强调了一种基于裂纹扩展机制叠加的开发理念，具体为SCC CO2和疲劳。通过将裂纹扩展速率定义为这些机制的组合，并使用断裂力学原理确定临界裂纹尺寸，该方法能够估算抗拉铠装层的失效时间。

CRediT作者贡献声明

Tiago Brun Coser：撰写——初稿、方法学、调查、形式分析、数据整理、概念化。Rodolfo Figueira de Souza：方法学、调查、概念化。George Carneiro Campello：撰写——审阅与编辑、监督、方法学、概念化。Thiago ?ngelo Gon?alves de Lacerda：方法学、调查、概念化。Luís Volnei Sudati Sagrilo：撰写——审阅与编辑、方法学、概念化。José Renato Mendes de Sousa：

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Petrobras允许发表本工作并支持本研究的开展。

Tiago Brun Coser | Rodolfo Figueira de Souza | George Carneiro Campello | Thiago ?ngelo Gon?alves de Lacerda | Luís Volnei Sudati Sagrilo | José Renato Mendes de Sousa