基于应变的管道凹陷的评估程序外文翻译资料

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基于应变的管道凹陷的评估程序

Dauro Braga Noronha Jr. ^a, Ricardo Rodrigues Martins ^a, Breno Pinheiro Jacob ^b*, Eduardo de Souza ^c

a. 巴西石油公司研究和发展中心. 巴西

b. 技术研究院/里约热内卢联邦大学. 里约热内卢联邦大学的研究生学院, 土木工程部. 巴西

c. 巴西石油公司勘探生产部门. 巴西

摘要

一种基于应变的输气管道凹陷的评估标准最近已经在ASME B31.8规范中被提出。这项工作开始于对在附录R中提出的一个压力评估方程的关键评论。接下来，提出了一个基于B样条曲线的方法，对内检测工具测量得到的凹陷几何数据进行插值并计算应变分量。此论文致力于通过研究内检测工具的分辨率和位置的影响评估管道的周向弯曲应变。最后，对于薄膜应变的评估是对凹陷长度进行了双重定义，所有公式在上述规范的附录R中，并且通过有限元分析进行结果比对。比照结果表明了凹陷长度测量大概方法，测量方法也许就在修正版的ASME B31.8规范中。

关键字：管道；凹陷；应力评估

1.说明

1.1动机：凹陷在管道事故中的重要性

众所周知，管道的机械损伤（如凹陷和凹槽）常导致局部应力和应变集中，因此这对管道的完整性有着不利的影响。根据美国交通运输部管道安全办公室的数据，从1985-2003年报告的事故中机械损伤导致的事故占28%[1]。同一调查的数据表明石油管道在产生上述机械损伤后83%的发生泄露，其余17%的管道失效延缓。在气体管道中情况类似，比例分别为90%和10%。

进一步研究由于机械损伤导致的管道事故记录发现机械损伤并不会使管道立即产生明显得失效，大约有6%的失效出现在损伤发生的短时间后（几小时或几天），然而7%的失效是由于增加了管道内部的压力后产生的。其余87%没有立即出现失效事故的管道是由于后期次生危害的发展导致事故的发生，例如腐蚀、压力腐蚀裂纹、岩石刺穿和压力波动产生的疲劳作用。虽然岩石凹陷经常不被考虑作为管道完整性的主要危害，但是它值得引起注意，因为它可以为19%的非突发事故负责[1]。

基于以上统计结果，可得由于凹陷和机械损伤导致的管道延缓失效在报告的管道事故中占有重要的一部分。因此，提升工具对缺陷的识别能力和正确评估缺陷严重性的标准建立是管道工业目前所关心的。

1.2 背景：管道凹陷的定义

凹陷的正式定义为：由外部接触异物导致管道壁的曲率发生严重的改变[2]。凹陷可以被归类为管道壁曲率出现严重的改变。因此，平滑凹陷定义为管道壁曲率出现平滑的改变。曲率平滑改变可以被定义为管道曲率半径最大的部分超过了管道壁厚的5倍。平滑凹陷不包含壁厚减少（如沟槽、裂纹和腐蚀）和相邻圆周的曲率没有改变或者已被归类为简单凹陷的焊缝[2]。

根据凹陷是否可以在管道内部压力下自由恢复可以进一步分类。在压力作用下变形不可以回弹的凹陷称为约束性凹陷。由于岩石或者其他类似的因素导致约束性凹陷就是所谓的岩石凹陷。另一方面，失去外部压力作用的凹陷称为非约束性凹陷。此类凹陷是第三方行为导致的典型凹陷，例如挖掘设备所造成的凹陷。由于机械的活动这类典型凹陷常发生材料损失，比如擦伤和沟槽。

1.3凹陷评估标准

操作设备的结构完整性的评估常常是根据国际规范的建议进行执行。例如，API 579-1/ASME FFS-1规范[3]提出了用于评价压力管道和普通管道的方法。特别的，此规范解决了受压组件中的凹陷评估。

关于管道上的凹陷，传统上最有效的方法是测量凹陷的深度并以此判断它的危害性。如果管道凹陷深度超过了管道标称直径的6%，国际管道规范常认为此类普通凹陷是有害的。这些规范通常建议修复或将管道从焊接部分进行移除，或者确立一个非常浅显的凹陷允许深度极限。

最近，ASME B31.8规范—气体运输和管道分布系统[4,5]给出了一个上述基于凹陷深度极限的备选方案。根据此规范，普通凹陷和任何深度的韧性焊缝凹陷只要满足应变水平分别不超过6%的变形和4%的应变都是可以被接受的。这是一个非常好的方法，因此之前的凹陷管道已经被替换或依据深度规范进行了修复并且都可以被认可为是安全的，这和应变极限规范一样令人满意。

管道应变也可以根据内检测工具所测量得到的变形数据或者直接由变形轮廓测量得到的变形数据进行评估。在附录R[4,5]中提供了一种凹陷应变评估的方法。为了只使用这一方法，可以利用插值或其他数学方法去发掘从内检测工具或直接测量得到的数据中包含的表面轮廓信息。

1.4 目的

背景中提到，全世界的工作目标是致力于基于应变的评估规范并适当的使用于评估凹陷变形的严重性。通过以下几个步骤可以完成：（a）回顾当前的应力分量评估表达式；（b）将文件数据进行数学插值从而确定几何缺陷和应变情况；（c）使用类似的技巧去验证有限元分析的结果，并且评估内检测工具的分辨率和位置所产生的影响；（d）所提议的附加方法应该包含在修订版的ASME B31.8规范中，特别的，这和薄膜应变的测定是有联系的。

因此，接下来的论文部分将开始回顾修订版ASME B31.8规范[4,5]所提出的方法，包括一些关于弯曲应变、薄膜应变和复合应变的表达式的评论。

接下来，基于四阶的样条曲线的分段插值方法被提出，近似于凹陷在纵向和环向的剖面图[6]。因为此类弯曲具有二阶连续性，任何位置的曲率半径可以根据经典二维曲率方程被直接计算出来。弯曲应变可以从曲率半径计算得到。考虑到使用同分辨率的内检测工具进行数据采集，B样条曲线方法可以通过管道凹陷的非线性有限元分析结果进行验证。这个方法的结果也可以通过Rosenfeld et al.[7]提出的实现步骤进行比对，在半点密切圆曲率评估上的基于Bessel 三次分段插值的凹陷轮廓特征描述。

从结果中可以获知，当知道凹陷最深点的坐标时，也就是当内检测工具的一个传感器接触到凹陷的尖峰时，B样条曲线评估方法可以被证明对纵向和环向的弯曲应变的评估是有效的。因此，进一步研究应该是研究内检测工具位置所产生的影响，也就是说，去评估两个凹陷尖峰之间的距离、测量凹陷深度的相邻内检测工具传感器和环向弯曲应变的产生的影响[8]。

最后，考虑到凹陷长度的两种不同定义，有限元分析的结果也可以用来评估附录R[4,5]中所提出的薄膜应变估算方程。比照结果表明了凹陷长度测量大概方法，测量方法也许就在修正版的ASME B31.8规范中。

2.回顾在ASME B31.8规范中附录R中提出的方法

2.1估算凹陷应力

根据ASME B31.8[4,5]规范附录R，凹陷的最大应力评估的实现是分别先把各个应力分量进行估算；然后，假设每个应力分量恰好发生于凹陷顶峰处[7]，分量适当的结合决定总的应变大小。

在[5]中提出了用于评估的下列方程式，分别的，环向弯曲应变为()，纵向的薄膜应变和弯曲应变为(和):

(1)

(2)

(3)

式中：

R0为未变形部分的管道表面曲率半径（相当于管道标称直径的一半）；

t为管道壁厚；

d为凹陷深度；

L为纵向的凹陷长度；

外表面曲率半径R1和R2（如图1）分别为通过凹陷处的横向和纵向截面实际测量所得。当管道凹陷为特殊的扁平状时R1为正值，同方向上的管道原始表面截面的曲率半径为R0。另外的，如果凹陷是向内凹进去的则R1为负值。一般情况下曲率R2在规范中通常是负值。

依据文献[4,5]作用于管道内表面和外表面的总应变（分别为和）通过以下公式可以得出：

（4）

（5）

当应变和的最大值低于允许应变极限值时凹陷时被认为可以接受的。

图1. 凹陷几何结构

Fig.1. Dent Geometry

2.2注释

剩余章节的内容是现如今关于应变评估公式（1）-（5）的解释说明。

2.2.1弯曲应变

提起一件趣事，在2003版本的ASME B31.8规范附录R中[4],提出的计算环向和纵向弯曲应变的表达式如下所示：

（6）

（7）

这个表达式中有一个错误：转换壁厚t时他们忽略了2倍关系。这导致了过分保守的估计了应变分量。作为在[6]的示范中和[7,8,9]的观察中，正确的表达式应该为公式（1）和（2），现在已经在2007版本ASME B31.8规范中注明。

2.2.2薄膜应变

考虑到纵向薄膜应变源于经验估计的公式（3）已经在[11]中被观测，并成为一种与限制性有限元分析方法对比的基准。为了核实这个问题，目前此研究工作的第五章节使用的公式（3）的准确结果来源于FE管道凹陷模拟。

2.2.3复合应变

如之前提及到的，依据[4,5]中的公式（4）和（5）应用于复合应变从而获得一个和可接受标准进行比较的标量。然而，以下内容的演示中，此公式的推断考虑到一个错误的简单凹陷假设，因此使用它们将得到一个错误的结果。

2.2.4考虑到简单凹陷情况的复合应变

下列简化的假设有效情况下可以由[11]获得和（4）、（5）类似的公式：环向和纵向是应变的主要方向，并且环向薄膜应变和径向应变可以忽略不计。此表达式可以通过等价表达式或von Mises应变[12]推导得到，公式如下:

（8）

式中：

为泊松比例；

，，为主要应变张量的分量；

在凹陷尖峰处，当比较塑性变形时可以假设弹性应变可以被忽略。因此取，公式（8）可以被写为：

（9）

考虑到简化假设在附录R[2]中被采用，主要应变分量作用于内部管道表面可以将公式（1）—（3）改写为以下（意味着这对于满足要求的凹陷是可以完全适用的，且应变分量，，在主要的应变方向上时）：

（10）

（11）

（12）

将（10）（11）（12）代入公式（9）中，可以获得应变作用于管道内部的表达式如下：

（13）

通过类似的方式可以获得作用于管道外表面的应变公式：

（14）

（15）

（16）

（17）

观察可知此公式和ASME B31.8规范中提出的公式是相同的，除了公式（17）前面有个常数（2/3）。然而公式（13）和（17）是假设径向应变忽略不计而派生的，意味着管道壁凹陷地方符合平面应变状态，因此结论是可疑的、不正确的。

2.2.5考虑到径向分量的复合应变

等效应变更加合适的表达式的得到考虑到了假设条件，假设复合应变区的应变主要是在弹性范围内。在不可压缩的情况下也许可以适用。因此得到：

（18）

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