胡艷華，唐德渝，?；⒗?，張志遠(yuǎn)，賀維維

1.中國石油集團工程技術(shù)研究院，天津300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津300451

3.中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院，北京102249

X65海洋隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗研究

胡艷華1，2，唐德渝1，2，牛虎理1，2，張志遠(yuǎn)3，賀維維3

1.中國石油集團工程技術(shù)研究院，天津300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津300451

3.中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院，北京102249

與單接頭全尺寸疲勞試驗相比，隔水管多接頭加載段內(nèi)焊接接頭之間焊接殘余應(yīng)力影響大，應(yīng)力干擾和關(guān)聯(lián)應(yīng)力效應(yīng)突出；隔水管接頭類型多樣化，存在異型管與異型材料的焊接，疲勞特征影響因素多而復(fù)雜。針對多接頭隔水管剛度大、載荷施加難度大的特點，開展了規(guī)格為φ323.9 mm×18 mm的X65海洋隔水管多接頭四點彎曲+內(nèi)壓全尺寸疲勞試驗研究，得到多接頭全尺寸疲勞試樣在不同應(yīng)力幅值下的疲勞循環(huán)次數(shù)，并擬合、繪制出隔水管多接頭焊接接頭疲勞壽命的P-S-N曲線圖。隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗不僅降低了試驗周期與成本，提高了試驗的置信度水平，還可為后續(xù)海洋隔水管的設(shè)計、制造、維修和結(jié)構(gòu)承載計算提供技術(shù)支撐。

海洋隔水管；多接頭；全尺寸疲勞試驗；P-S-N曲線

海洋隔水管作為一種常見的海洋結(jié)構(gòu)管道，其強度及安全性對于海上鉆井作業(yè)至關(guān)重要。為了保障海洋隔水管的安全運行，減少管道斷裂、泄漏事故的發(fā)生，需要對其疲勞性能進(jìn)行試驗研究。目前，國外海洋隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗技術(shù)已在工程中應(yīng)用，但技術(shù)處于保密封鎖狀態(tài)[1-7]。在國內(nèi)，中國石油集團工程技術(shù)研究院已開展過海洋管道單接頭全尺寸疲勞試驗的方法研究[8-10]。與單接頭試驗相比，隔水管多接頭加載段內(nèi)焊接接頭之間的焊接殘余應(yīng)力影響大，應(yīng)力干擾和關(guān)聯(lián)應(yīng)力效應(yīng)突出；接頭類型多樣化，存在異型管與異型材料的焊接，疲勞特征影響因素多而復(fù)雜。

為了滿足海洋隔水管的全尺寸疲勞性能評定要求和工程應(yīng)用需求，針對多接頭隔水管剛度大、載荷施加難度大的特點，開展了φ323.9 mm×18 mm海洋隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗研究，得出多接頭全尺寸疲勞試樣在不同應(yīng)力幅值下的疲勞循環(huán)次數(shù)，可降低試驗周期與成本，提高試驗的置信度水平。在此基礎(chǔ)上，擬合、繪制出隔水管多接頭焊接接頭疲勞壽命的P-S-N曲線圖，可為后續(xù)海洋隔水管的設(shè)計、制造、維修和結(jié)構(gòu)承載計算提供技術(shù)支撐。

1 海洋隔水管多接頭加載的試驗特點

與單接頭試驗相比，海洋隔水管多接頭加載段內(nèi)，焊接接頭之間焊接殘余應(yīng)力影響大，應(yīng)力干擾和關(guān)聯(lián)應(yīng)力效應(yīng)突出；接頭類型多樣化，存在異型管與異型材料的焊接，疲勞特征影響因素多而復(fù)雜。因此，需針對海洋多接頭隔水管剛度大、載荷施加難度大的特點，優(yōu)化確定海洋隔水管多接頭全尺寸疲勞試件的載荷施加方式。同時，在多接頭全尺寸疲勞試驗中，需重點關(guān)注加載段內(nèi)焊接殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中以及管道內(nèi)部壓力停輸、試壓以及輸送介質(zhì)波動對管道疲勞壽命的影響。

2 海洋隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗

2.1 多接頭全尺寸疲勞試樣制備

多接頭全尺寸疲勞試驗采用X65鋼，其規(guī)格為φ323.9 mm×18 mm×9 000 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1～2所示。

表1 試樣化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

表2 試樣力學(xué)性能

多接頭疲勞試樣焊接接頭均采用對接接頭形式，其坡口為雙V型復(fù)合坡口型式。試樣制備過程中，X65海洋隔水管由火焰切割為A、B兩組，每組包括2段φ323.9 mm×18 mm×3 500 mm短管和3段φ323.9 mm×18 mm×500 mm短管。為便于觀察熔池和控制焊接質(zhì)量，在各段管道兩端進(jìn)行打磨處理，其上坡口角度為9°，高度為13 mm；下破口角度為30°，高度為3.5 mm；鈍邊高度為1.5 mm。

為消除焊接過程中各類型因素對多接頭焊接質(zhì)量的影響，對隔水管外表面和內(nèi)部進(jìn)行了預(yù)處理，保證外表面光滑，內(nèi)部無雜物。同時，采用相同焊接方法和焊接工藝參數(shù)進(jìn)行不同接頭試樣的制備。焊接過程中依據(jù)實際焊接情形進(jìn)行焊層溫度的控制，以防產(chǎn)生不必要的焊接缺陷。

整段隔水管兩端采用焊接堵頭封堵，在一端堵頭上預(yù)制進(jìn)水口，出水口與進(jìn)水口共用同一根軟管。在另一端距離隔水管端部不遠(yuǎn)處鉆φ12 mm孔洞，并焊上閥門，用于排出隔水管內(nèi)部的空氣，如圖1所示。

圖1 隔水管端部排氣孔預(yù)制

2.2 多接頭全尺寸疲勞試驗的載荷施加

針對隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗的技術(shù)需求，考慮到全尺寸疲勞設(shè)備的功能特征與技術(shù)參數(shù)，最終確定隔水管疲勞試驗有效長度Lv=7 500 mm。在試樣管中間位置E、F、G、H處各有一道環(huán)焊縫，試驗過程中需確保4道環(huán)焊縫的受力一致，且均處于系統(tǒng)最大彎矩區(qū)。為避免試驗過程中各焊接接頭產(chǎn)生的應(yīng)力相互影響，故相鄰兩道焊接接頭之間的距離選為500 mm，且試驗等彎矩段EH的距離至少需設(shè)置為1 500 mm。究其原因在于，若焊縫與作動器加載點（本次試驗加載點為C和D）的距離太小，容易在作動器加載點與焊縫之間形成撕裂損傷，造成疲勞破壞，導(dǎo)致母材先于焊縫失效；若距離太大，會造成等彎矩段應(yīng)力幅值達(dá)不到要求，因此CE與HD段的距離應(yīng)在250～500 mm之間。如圖2所示，本次試驗加載位置C和D之間的距離定為2 500 mm，且4道焊縫從左至右分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#焊接接頭。

本文所述的X65海洋管道全尺寸疲勞試驗采用四點彎曲與內(nèi)壓聯(lián)合加載的研究方式。彎曲加載波型為正弦波形，應(yīng)力比r=-1，施加頻率為0.5 Hz；內(nèi)壓加載頻率為0.02 Hz。試驗過程中共設(shè)定3個應(yīng)力水平，分別為360、240、190 MPa。反向推算可得到試驗所需的加載載荷，如表3所示。

表3 不同應(yīng)力下全尺寸疲勞試驗的加載幅值

在試驗過程中，當(dāng)任意管道接頭應(yīng)力出現(xiàn)大幅變化或者管內(nèi)水流溢出時，記錄此時失效接頭編號及其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，并卸載結(jié)束第一輪試驗。卸載后，將管道失效接頭進(jìn)行返修，經(jīng)檢測合格后，開始第二輪試驗。如此反復(fù)，即可在相同試驗加載條件下，采用相同試驗管道獲取多組試驗數(shù)據(jù)，提高管道全尺寸疲勞試驗數(shù)據(jù)的置信度，降低相同數(shù)據(jù)量下的試驗費用與周期。

2.3 多接頭全尺寸疲勞試樣的應(yīng)力集中系數(shù)計算

管道對接焊縫焊接接頭處的應(yīng)力集中主要是由于不同原因造成的偏心而引起的。這些偏心可分為：同心度（接頭兩端管件直徑的差異）、連接管件的厚度差異、不圓度以及中心偏心等。把不同原因產(chǎn)生的偏心距直接相加，就可以保守計算出總偏心距。一般情況下不圓度所產(chǎn)生的偏心距對于總偏心距（為板壁差、錯變量、軸偏量之和）的影響最大。

對于管道焊接接頭處的應(yīng)力集中系數(shù)計算，本文采用如下公式就可將直徑、厚度關(guān)系的影響包括在內(nèi)：

式中：SCF為應(yīng)力集中系數(shù)；δt為板壁差，mm，δt=0.5（T-t）；δm為錯變量，mm；δ0為S-N數(shù)據(jù)固有軸偏量（δ0=0.1 t），mm；L為焊縫寬度，mm；φ為管道外徑，mm；T為實測接頭處薄壁管的平均厚度，mm；t為實測接頭處厚壁管的平均厚度，mm。

全尺寸疲勞試樣焊接完成前后，需測量出各焊接接頭處的外徑、壁厚、焊縫寬度和錯邊量等數(shù)據(jù)，由此可計算出1#、2#、3#與4#焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，如表4所示。后續(xù)疲勞試驗數(shù)據(jù)處理過程中，為了使隔水管疲勞設(shè)計更加準(zhǔn)確，采用應(yīng)力集中系數(shù)對隔水管焊接接頭處的應(yīng)力幅值進(jìn)行修正。

表4 應(yīng)力集中系數(shù)的計算結(jié)果

3 海洋管道全尺寸疲勞試驗結(jié)果及分析

多接頭全尺寸疲勞試驗結(jié)果見表5?？紤]到焊縫區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，對表5中的名義應(yīng)力幅值進(jìn)行了修正，結(jié)果見表5。

表5 修正前/后的疲勞試驗結(jié)果

將表5中各試驗結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的計算，最后得出不同等級平均應(yīng)力幅值下對數(shù)疲勞壽命的均值和方差S，結(jié)果如表6所示。

由于同一載荷水平下的對數(shù)疲勞壽命呈正態(tài)分布，則只要由一組子樣測試數(shù)據(jù)求出子樣均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并將其計算結(jié)果分別當(dāng)作母體均值和標(biāo)準(zhǔn)差的估計量，即可得出一定破壞（或存活）概率下的疲勞壽命或一定疲勞壽命下的破壞（或存活）概率。由正態(tài)分布規(guī)律，破壞概率p（存活概率R=1-p）對應(yīng)的xp為：

式中：xp為對數(shù)疲勞壽命；為各級應(yīng)力幅值水平下S對數(shù)疲勞壽命的平均值；S為各級應(yīng)力幅值水平下對數(shù)疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)偏差；up為破壞概率p對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量。

表6 試驗數(shù)據(jù)計算結(jié)果

確定均值和方差S數(shù)值后，即可求得不同存活率下的對數(shù)疲勞壽命，繼而得出應(yīng)力幅值和疲勞壽命的對應(yīng)關(guān)系。表7為隔水管在不同應(yīng)力幅值下，當(dāng)存活率為90%、70%、50%、30%和10%時，隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗的疲勞壽命。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，以疲勞壽命N為橫坐標(biāo)，平均應(yīng)力幅值S為縱坐標(biāo)，得出隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗的P-S-N曲線圖，如圖3所示。

表7 不同平均應(yīng)力幅值和存活率下隔水管疲勞壽命

由圖3的P-S-N曲線可以看出：其一，在同一存活率下，φ323.9 mm×18 mm的X65隔水管焊接接頭的疲勞壽命與所受的應(yīng)力幅值呈反比關(guān)系，即應(yīng)力幅值越高，所對應(yīng)的疲勞壽命越??；其二，在同一應(yīng)力幅值下，φ323.9 mm×18 mm的X65隔水管焊接接頭的疲勞壽命與存活率呈反比關(guān)系，即存活率越高，所對應(yīng)的疲勞壽命越小。當(dāng)應(yīng)力幅值大于220 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命隨應(yīng)力幅值的增高而減少的速率較慢；當(dāng)應(yīng)力幅值小于220 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命隨應(yīng)力幅值的增高而減少的速率快；當(dāng)應(yīng)力幅值小于190 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命趨于無窮大，認(rèn)為試樣不會破壞。

圖3 隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗的P-S-N曲線

4 結(jié)論

本文針對多接頭隔水管剛度大、載荷施加難度大的特點，開展了φ323.9 mm×18 mm海洋隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗研究。通過多接頭全尺寸疲勞試樣的制備、應(yīng)力集中系數(shù)計算、焊接接頭應(yīng)力應(yīng)變測試分析、疲勞試驗結(jié)果修正、疲勞數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得到隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗焊接接頭疲勞壽命的P-S-N曲線圖，并形成如下結(jié)論：

（1）在同一存活率下，φ323.9 mm×18 mm的X65隔水管焊接接頭的疲勞壽命與所受的應(yīng)力幅值呈反比關(guān)系，即應(yīng)力幅值越高，所對應(yīng)的疲勞壽命越小。

（2）在同一應(yīng)力幅值下，φ323.9 mm×18 mm的X65隔水管焊接接頭的疲勞壽命與存活率呈反比關(guān)系，即存活率越高，所對應(yīng)的疲勞壽命越小。在應(yīng)力幅值大于220 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命隨應(yīng)力幅值的增高而減少的速率較慢；當(dāng)應(yīng)力幅值＜220 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命隨應(yīng)力幅值的增高而減少的速率快；當(dāng)應(yīng)力幅值＜190 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命趨于無窮大，認(rèn)為試樣不會破壞。

（3）海洋隔水管多接頭疲勞試驗可在有限試驗子樣條件下，得到焊接接頭在不同應(yīng)力幅值下的疲勞循環(huán)次數(shù)，可為工程應(yīng)用中管道全尺寸疲勞壽命評價及服役期間的安全運行周期提供定量依據(jù)。

[1]方華燦.油氣長輸管道的安全可靠性分析[M].北京：石油工業(yè)出版社，2002.

[2]方華燦，陳國明.冰區(qū)海上結(jié)構(gòu)物的可靠性分析[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.

[3]姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[4]張淑茳，史冬巖.海洋結(jié)構(gòu)的疲勞與斷裂[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

[5]潘際炎.焊接結(jié)構(gòu)疲勞—國內(nèi)外疲勞試驗研究現(xiàn)狀[J].中國鐵道科學(xué)，1983（1）：73-84.

[6]NEWMAN J C，RAJU I S.An empirical stress—intensity factor equation for the surface crack[J].Engineering Fracture M echanics，1981，15（1）：185-192．

[7]LIN X B，SM ITH R A.Num erical analysis of fatigue grow th of external surface cracks in pressurized cylinders[J].International Journal of Pressure Vesse ls and Piping，1997，71（3）：293-300.

[8]唐德渝，方總濤，胡艷華，等.海洋管道全尺寸疲勞試驗機的研制[J].石油工程建設(shè)，2013，39（3）：20-25.

[9]胡艷華，唐德渝，方總濤，等.海洋管道全尺寸疲勞試驗技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].石油工程建設(shè)，2013，39（4）：1-7.

[10]胡艷華，唐德渝，方總濤，等.X65鋼級海洋管道全尺寸疲勞性能試驗研究[J].石油工程建設(shè)，2014，40（6）：29-32.

Full-scale fatigue test research ofX65 marine riser multi-joints

HU Yanhua1，2，TANG Deyu1，2，NIU Huli1，2，ZHANG Zhiyuan3，HE Weiwei3
1.CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China
2.CNPC Offshore Engineering Key Lab，Tianjin 300451，China
3.College of Mechanicaland Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China

The multi welded joint fatigue performance of X65 marine riser of φ 323.9 mm×18 mm is domestically studied by means of full-scale fatigue tests with four-point bending and inner pressure.Consequently，the fatigue cycles under different stress amplitude and P-S-N curves can be derived to predict the full-scale fatigue life of marine riser quantitatively.Therefore，this study is not only beneficial to the analysis of full-scale fatigue data of marine risers，but also can provide quantitative basis for evaluating the fatigue life and ensuring the safety operation cycles of marine risers.

marine riser；multiwelded joint；full-scale fatigue test；P-S-N curve

圖片報道：多接頭隔水管焊接預(yù)制過程

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.002

胡艷華（1981-），女，湖北荊州人，高級工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），博士，現(xiàn)主要從事海洋結(jié)構(gòu)建造安裝技術(shù)研究工作。Em ail：huyh@cnpc.com.cn

2016-12-05；

2016-12-29