對海上在用金屬軟管進(jìn)行適應(yīng)性分析研究是十分必要的
針對埕島油田海上井組平臺金屬管理中出現(xiàn)的疲勞變形、滲漏斷裂等問題，從軟管疲勞壽命進(jìn)行適應(yīng)性分析研究，對軟管管理和使用提出建議。
【關(guān)鍵詞】金屬軟管;疲勞;壽命;漏蝕;失效;預(yù)防措施
波紋金屬軟管（簡稱金屬軟管）是現(xiàn)代工業(yè)管路中一種高品質(zhì)的柔性管道。它主要由波紋管、網(wǎng)套和接頭組成。作為各類管路工程中柔性聯(lián)接元件，金屬軟管具有重量輕、體積小、耐腐蝕、耐高溫、承壓高，吸收振動、補償管道中大的位移偏差特點。目前，沒有任何機構(gòu)或廠家對海上平臺金屬軟管的受力分析、位移補償量計算、安裝方式、使用壽命等進(jìn)行評價、規(guī)范。所以，為保證工藝流程、集輸管路的平穩(wěn)運行，對海上在用金屬軟管進(jìn)行適應(yīng)性分析研究是十分必要的。
1.海上平臺金屬軟管應(yīng)用情況
目前海上平臺在用金屬軟管90余條，從安裝位置可分為：工藝流程，位于棧橋計量流程、混輸流程、海管外輸流程。從軟管外形可分為：直線型、U型管、B型管三類。特別是B型軟管，由兩條直線軟管通過90°剛性彎頭連接，能夠很好的補償安裝位置處的軸向、側(cè)向和角向位移（見下圖）。
圖1 B型安裝示意圖
2.軟管彎曲疲勞評價及疲勞壽命有限元分析
2.1軟管彎曲疲勞評價
金屬軟管依靠自身的彎曲變形來對系統(tǒng)進(jìn)行位移補償?shù)?，常見變形形式如下圖所示：
直線型 U型管B型管
圖2 軟管變形補償位移量的形式
分析以往發(fā)生的軟管泄漏事故，一是軟管內(nèi)部壓力直接作用，隨著壓力升高，軟管內(nèi)應(yīng)力交變次數(shù)超過極限，產(chǎn)生疲勞裂紋，本體受損，壓力驟然釋放，管線拉伸、收縮變形，造成斷裂；二是金屬軟管安裝后，流程管線受力位移，在補償位移量的過程中，長期處于彎曲變形，不能恢復(fù)正常的受力狀態(tài)，本體受力不均勻，循環(huán)壽命受損，彎曲壽命周期和安全性能降低，逐漸達(dá)到彎曲疲勞和屈服極限，在薄弱部位產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致刺漏。
2.2軟管疲勞疲勞的有限元分析
MSC?Fatigue軟件是一個通用性很強的基于有限元分析結(jié)果的疲勞分析設(shè)計工具，通過創(chuàng)建疲勞分析模型，設(shè)置疲勞分析參數(shù)，可用來靈活地計算、預(yù)測軟管的疲勞壽命，能夠很好地預(yù)測出波紋管壽命次數(shù)。在日常管理中，通過有限元計算，找出軟管薄弱部位，預(yù)測軟管疲勞壽命，便于加強重點部位巡檢，組織好到期軟管的強制更換，提高管理水平，更準(zhǔn)確的對在用金屬軟管的安全性進(jìn)行評價。
3.金屬軟管失效形式、漏蝕原因分析
金屬軟管的失效形式通常有以下幾種。
3.1金屬軟管中的波紋管發(fā)生開裂及泄漏
3.1.1焊縫開裂
金屬軟管中的柔性波紋管段，大多采用縱縫焊管。往往由于縱縫焊本身質(zhì)量缺陷使管強度不夠?qū)е潞缚p處開裂破壞。這種破壞屬波紋管縱焊縫質(zhì)量問題，可通過對進(jìn)貨軟管的抽檢進(jìn)行監(jiān)督。
3.1.2腐蝕穿孔破壞
由于目前金屬軟管的材質(zhì)大多為lCrl8Ni9Ti、OCrl8Ni9等奧氏體型不銹鋼，這些不銹鋼中含有較多的非金屬夾雜物（如硅酸鹽、氧化物、TiN等）。當(dāng)管路中通腐蝕性介質(zhì)時，就會在焊縫熔合線邊緣或其它薄弱點形成腐蝕性穿透微孔。
3.1.3疲勞破壞
在日常工作狀態(tài)下，金屬軟管受到循環(huán)載荷作用往往發(fā)生疲勞裂紋破壞。此種破壞屬正常失效，日常應(yīng)加強巡檢，嚴(yán)格執(zhí)行強制更換的規(guī)定。同時，按照規(guī)范安裝軟管，防止因安裝不當(dāng)造成軟管產(chǎn)生扭曲等附加應(yīng)力，縮短使用壽命。
3.2金屬軟管鎧裝鋼絲網(wǎng)套拉脫或斷裂使波紋管外鼓失效
金屬軟管中的不銹鋼絲網(wǎng)套主要是對波紋管起保護(hù)作用和承受波紋管內(nèi)介質(zhì)壓力(主要是軸向力)作用。網(wǎng)套包覆在波紋管外部，兩端與波紋管和端環(huán)及接頭焊接。
3.2.1環(huán)境影響
金屬軟管外套絲網(wǎng)在沿海含氯離子的潮濕大氣介質(zhì)及拉應(yīng)力共同作用下，部分發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕并斷裂，部分點蝕后斷裂，這是一個比較緩慢的逐步斷裂過程。當(dāng)最后剩余的鋼絲不足以承受波紋管的內(nèi)壓及熱膨脹載荷時全部被過載拉斷。在缺少絲網(wǎng)依托下，波紋管發(fā)生瞬時過度彎曲變形而在焊縫的薄弱區(qū)撕裂失效，導(dǎo)致軟管斷裂。
3.2.2安裝不當(dāng)，造成絲網(wǎng)拉斷
軟管在安裝過程中，由于安裝不當(dāng)，或承受壓力過高時，軟管將受到拉伸及扭曲作用，當(dāng)拉伸或扭曲產(chǎn)生的應(yīng)力超出軟管鋼絲網(wǎng)套的極限強度時，會使軟管三位一體焊接部位的網(wǎng)套或其它部位的網(wǎng)套拉斷，進(jìn)而使波紋管外鼓拉伸破壞，引起原油泄漏。
3.2.3虛焊造成絲網(wǎng)套拉脫
由于焊接質(zhì)量的原因，使波紋管、環(huán)和鋼絲網(wǎng)套在三位一體焊接過程中造成部份鋼絲的虛焊(過燒或末焊上)。這樣軟管裝入管路后由于鋼絲受力不均，在介質(zhì)壓力作用下，虛焊處鋼絲先拉脫，使整個鋼絲網(wǎng)套拉脫，致使波紋管外鼓失效，發(fā)生危險。
3.3金屬軟管接頭(內(nèi)連接部分）焊接質(zhì)量缺陷，造成軟管泄漏失效
軟管管體在與軟管接頭焊接時，當(dāng)操作不當(dāng)時，會產(chǎn)生焊接缺陷，而這些缺陷在試壓檢查時又很難發(fā)現(xiàn)。當(dāng)軟管接入介質(zhì)管路，長期使用后會因疲勞等原因，使缺陷處發(fā)生裂紋或斷裂，最終造成輸送管路的介質(zhì)泄漏。
3.4金屬軟管接頭(內(nèi)連接部分）腐蝕失效，導(dǎo)致軟管介質(zhì)泄漏
金屬軟管接頭材質(zhì)均為1Crl8Ni9Ti或SUS304等不銹鋼。不銹鋼中的夾雜物（如硅酸鹽、氧化物等)，有時呈鏈狀分布狀態(tài)，當(dāng)受到焊接的熱影響或酸性介質(zhì)等作用時，會形成穿透微孔，使軟管內(nèi)介質(zhì)泄漏。為防止此種失效，建議選用合格的不銹鋼接頭材料及合理的焊接工藝。
4.預(yù)防措施及下步建議
4.1為更好地解決金屬軟管的應(yīng)力腐蝕失效問題，建議絲網(wǎng)材質(zhì)由1Crl8Ni9(0Cr18Ni9)改為UNS434(國產(chǎn)牌號為1Cr17Mo)鐵素體不銹鋼，波紋管本體材質(zhì)由OCr18Ni9改為UNS 316(國產(chǎn)牌號為0Cr17Ni 12Mo2)，材料中含Mo可以抵抗點蝕，應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生與發(fā)展也較緩慢。
4.2開展好金屬軟管隱患治理工作，對各平臺棧橋、獨立樁晃動位移量、管線補償量進(jìn)行核算，對于能夠補償位移的剛性管線，將軟管改為硬連接，降低日常管理難度和更換工作量。
4.3針對海上軟管使用情況，加強與相關(guān)部門的技術(shù)交流，編制海上金屬軟管使用規(guī)范，建立在用戶金屬軟管評價系統(tǒng)，對軟管的安裝、使用、管理和更換進(jìn)行規(guī)范，提高日常管理水平。■
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