海洋柔性立管疲勞試驗及其失效檢測探究

趙 林，段文靜

（中國海洋大學 工程學院，山東　青島　266100）

海洋柔性立管疲勞試驗及其失效檢測探究

趙 林，段文靜

（中國海洋大學 工程學院，山東青島266100）

API 17B規范指出海洋管道若想在海洋立管領域得到應用，要通過包括壓潰、拉伸、打壓及疲勞等各種試驗的驗證。其中疲勞試驗是最關鍵，也是最復雜的試驗。通過查閱API系列規范及相關文獻，總結了海洋立管結構特點及實際運營中所受循環荷載效應，通過對海洋立管進行疲勞分析、疲勞試驗、疲勞試驗失效檢測及驗收標準等方面的分析探討，最終形成一套驗證海洋柔性立管性能及其可靠性的系統方法。

海洋立管；疲勞試驗；失效；檢測方法

海洋油氣管道是海洋工程結構中的重要構件。根據應用領域不同，可大體分為海洋水平管和海洋立管。其中，海洋水平管鋪設在海底，在海底對海底油氣進行運輸；海洋立管鋪設在海底水平管和海洋平臺之間，負責將海底油氣資源運輸到海洋平臺。

海洋管道的疲勞損傷往往是由管道中存在的各種交變應力引起的，交變應力使管道內部和表面的缺陷發生擴展，最終造成管道的疲勞斷裂，迫使供油供氣中斷，產生嚴重后果。因此，為驗證海洋立管設計的的規范性、完整性和相關力學性能夠承受相關服役海況，并保障海洋管道的安全穩定運行，對其疲勞性能進行分析研究是必需的且必須受到相關設計、生產和工程施工方的重點關注［1-4］。

1　海洋立管

1.1海洋立管結構

海洋立管的主要結構包括骨架層、抗壓層、抗拉層、聚合物層等，每層結構有其特殊的作用。圖1是Wellstream公司所生產的一種海洋輸油管道的結構圖［5］。

圖1　海洋管道結構圖

其中，各結構層的作用為：

骨架層（carcass）:互鎖金屬層，抵抗外壓荷載。

內壓層（internal pressure）:聚合物層，保證內部流體的完整性。

抗壓層（pressure armor）:互鎖金屬層，承受內壓荷載。

防磨層（anti-wear）:位于金屬層與金屬層間，減少金屬之間的摩損。

抗拉層（tensile armor）:使用平的、圓的或成形的金屬線，纏繞角為20°～60°，纏繞層數一般為2～4層。而無抗壓層的柔性管道，其纏繞角一般在55°左右，以此來達到扭轉平衡、平衡軸向及環向荷載。

外套層（outer sheath）:聚合物層，阻止外部流體進入柔性管結構。

在基本結構的基礎上，用戶可以根據自身的特殊需要來增加、減少相關的層數。比如，可以加入絕熱層來減少流體溫度的損失［6］。

1.2循環荷載效應

在油氣輸送系統中，為保證海洋立管安全可靠地完成油氣輸送任務，必須考慮到所有相關的循環荷載效應，為其疲勞分析、設計疲勞工況以及研究立管性能提供參考依據。根據API RP f204規范［7］中的敘述，可以將循環荷載效應分為如下幾個方面：

（1）一階波效應（直達波荷載和相關的浮式結構運動）；

（2）二階浮式結構運動；

（3）渦激振動；

（4）熱力和壓力誘發應力循環；

（5）碰撞；

（6）備件和其他深水浮式結構的浮子船體渦激振動運動；

（7）管內流體重擊效應；

（8）其他概念特定荷載條件，比如張力腿平臺的起拱運動；

（9）制造和安裝荷載。

2　海洋立管疲勞試驗

2.1海洋立管疲勞分析

為確保立管能完成預期的功能，對海洋立管進行詳細的疲勞分析是必要的也是必須的，其中必須要充分考慮立管所受疲勞荷載的影響。表1顯示了立管疲勞分析設計中的典型順序。基于S-N曲線或者也可基于斷裂力學的疲勞分析需要滿足的疲勞準則可表示為［7］：

式中：Dfat=累積疲勞損傷（帕姆格倫-邁因納定理）；DFF=設計疲勞系數表。

表1　典型疲勞分析程序總結

2.2疲勞試驗

根據API 17B［8］的要求，試驗樣管疲勞試驗的受力形式為：在一種工況作用下，一端受循環彎曲作用，一端受固定拉力作用。在動態疲勞測試中，有兩種類型的全尺度疲勞測試，一種是動態模擬測試；一種是服務壽命的模型驗證。動態模擬測試的目的是：依據規范，獲得在設計循環次數下管道最終的結構狀況；服務壽命的模型驗證的目的是：依據試驗結果，驗證管道設計的保守性。其中動態模擬測試需要完成累計損傷率為0.1所對應的試驗工況，服務壽命的模型驗證需要完成累計損傷率為1.0所對應的試驗工況。

海洋立管在受到海洋環境荷載產生交變運動時，抗拉層的鎧裝鋼絲結構的應力變化尤為明顯，是疲勞研究的重點［9］。

疲勞試驗機模型主要有兩種形式：臥式和立式，如圖2所示：

圖2　疲勞試驗機模型

在動態模擬試驗中，如果結構層中有明顯的損傷但是沒有導致管層的失效，那么動態疲勞測試將繼續進行；在服務壽命模型驗證試驗中，如果無損檢測沒有顯示明顯的損傷，那么試驗也可以繼續進行［8］。

2.3驗收標準

API 17B中，對結構層的失效及明顯損傷的定義，如表2所示［7］：

表2　接受標準—仿真實驗

其中，對接受標準中的相關概念的解釋如表3：

表3　相關概念

2.4疲勞失效檢測

2.4.1滲漏檢測試驗樣管要順利通過疲勞試驗的最基本的要求是在沒有出現滲漏的條件下，完成試驗設計的試驗工況。

管道滲漏檢測的方法可以分為直接檢測法和間接檢測法兩種。直接檢測法，又稱基于硬件檢測的方法，是通過現場巡視或其他硬件手段直接檢測出石油或石油產品滲漏的方法，這種方法操作簡單、結果直觀且易于定位，但需要耗費大量的物力、人力；結果受人為因素干擾大；不利于事故的應急處理；間接檢測法，又稱基于軟件檢測的方法，是檢測因滲漏造成的壓力、流量等物理參數發生變化的方法，這種方法原理簡單，利于觀察滲漏的發生，但是不易定位滲漏位置［10］。

在疲勞試驗的滲漏檢測方法中，直接檢測法和間接檢測法相輔相承，其操作方法都值得借鑒。其具體操作如下：

第一，直接檢測法是通過看、聞、聽來直接觀察管子是否有液體滲漏發生。若試驗樣管出現管內液體向外滲漏，地面不斷有液體積累，說明試驗樣管出現滲漏，應立即停止試驗。

第二，間接檢測法是通過監測安放在拉伸液壓缸位置的壓力傳感器傳出的管子內壓值的變化，來判斷管子是否出現滲漏。若管內壓力急劇變化，說明試驗樣管出現滲漏。

試驗過程中，若樣管出現滲漏，說明管子失效，應立即停止試驗。

2.4.2圓度檢測在骨架層和抗壓層的失效情形之一為自鎖消失導致管子在任意平面內彎曲超過儲存彎曲半徑使內部壓力層失效。對試驗樣管進行圓度監測，可以驗證骨架層和抗壓層的圓度是否在規定范圍內。

圓度測試的方法有接觸式和非接觸式兩種。接觸式檢測法，主要使用具有連桿機構的滾輪法，其使用的機構結構簡單且零件更換容易，成本低廉，但易受到外界因素的影響，檢測速度較慢，不適用于圓度精度要求高的產品；非接觸式檢測法，主要有激光測量技術、圖像測量技術，受環境影響小，由于不和被測物接觸，所以不受被測物體表面形狀、不潔度等因素的影響，適用于圓度精度要求高的產品，但價格較昂貴，且國內技術相對落后，依賴進口［11-12］。

由于試驗樣管在限彎器的端部位置是最危險的點，每種試驗工況結束后，都需要借助管道圓度儀在該位置進行圓度監測，若圓度大于抵抗壓潰的設計值，說明管子失效。

2.4.3軸向剛度檢測抗壓層的失效情形之一為管道軸向剛度比開始測試時減小20%，因此需要對試驗樣管的抗拉層的軸向剛度進行檢測，驗證其減少量在規定的范圍之內。

在抗拉層軸向剛度檢測問題上，通過調研，總結出兩個思路：

一是通過拉伸液壓缸的位移判斷軸向剛度的變化，操作簡單且結果直觀，在實際的認證檢驗過程中，該方法為通用做法。

二是借助應變片或光纖光柵傳感器在疲勞試驗過程中實時輸出立管的應變值，并結合其所受的拉力值，根據軸向剛度的式（2）推導出抗拉層軸向剛度的變化。由于傳感器安裝復雜，結果的準確度難把握，該做法一般是在科研需要時才加上去，在實際的認證檢驗過程中是不需要。

式中：EA為軸向剛度；T為拉力；ε為應變。

2.4.4鋼帶斷裂檢測骨架層、抗壓層的失效情形之一是出現穿透性裂紋，抗拉層的失效情形之一是在任意層上鎧裝線斷裂數多于5%。實際生產中，管子內部鋼帶斷裂是很正常的。當管子內部一根鋼帶斷裂，并不表示管子失效。

通過調研，本文總結了兩種檢測鋼帶斷裂的方法：

一是通過安裝聲納系統來判斷鋼帶是否斷裂。由于鋼帶斷裂時，聲音是很大的，當鋼帶斷裂時，聲納系統的聲譜曲線會有一個大的波形。試驗中，可以通過觀察聲譜曲線的變化來監測是否有剛斷斷裂，同時根據異常波形的個數，來判斷鋼帶斷裂的根數。這也是國際上較通用的做法。

二是通過無損探傷方法來檢測。無損檢測是在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，采用射線、電磁等原理技術儀器對材料進行缺陷、化學、物理參數的檢測技術。通過前期的調研，可以發現當內部金屬構件出現穿透性裂縫或厚度方向出現凹槽，可以通過無損檢測觀察到缺陷，圖3是調研圖片。

圖3　無損檢測

因為試驗樣管在限彎器端部位置是最危險位置，試驗中對試驗管子的該位置進行無損檢測。借助專用評片尺，圖4所示，對無損探傷結果進行測量，確定破壞出現在哪一層結構并記錄抗拉層斷裂根數。

圖4　專用評片尺

2.4.5靜水壓試驗疲勞試驗中，每種試驗工況結束后需要對試驗樣管進行靜水壓試驗。所加的壓力至少是設計壓力的1.25倍。

試驗中，靜水壓試驗依據API 17J的規定進行。靜水壓試驗時，壓力必須逐步增加，速度不能快于生產商的試驗程序，為靜液壓試驗值100%或110%，為達到穩定狀態，壓力必須保持2 h。最大靜液壓測試時不得使利用系數超過允許范圍。如果可以的話，壓力值測試必須在其穩定后往復循環進行。當壓力1 h內下降不到1%時，必須視為壓力穩定。壓力應在最小壓力值和最大壓力值范圍之間增強［14］。

靜水壓試驗時間必須不少于24 h，在使用期間，壓力和溫度（外部和內部）至少每30 min記錄一次，降壓的速度必須根據制造商的試驗程序。壓力下降是由于許多因素，如外部溫度的浮動，但在24 h試驗時間的開始時，必須不能下降壓力值的4%。壓力試驗過程中必須觀察軟管沒有裂縫。在接頭區域必須保證沒有永久性變形或是損毀。

2.4.6扭轉檢測抗拉層的失效情形之一是在現場水壓測試中，扭矩的失衡大于1°/m（一端自由旋轉）。因此試驗中要對抗拉層的扭轉角度進行推算，驗證其是否在規定范圍內。按照API 17B的規定，需要對樣管的扭轉角進行測量。

軸扭效應的測量，通常有兩種途徑：一是測軸的扭轉角，二是測軸的扭應變。測量軸的扭轉角需要用到光柵傳感器或者磁柵傳感器，而測量軸的扭應變需要用到遙測應變儀。在測量軸的扭轉角時，采用光柵測量扭轉角度時，兩光柵盤不能隔的太遠，以免因光的衍射無法形成條紋，磁柵雖可以任意測量兩截面的扭轉角，但對磁柵的材質要求高，并且要求擁有一套錄磁設備；在測量軸的扭應變時，采用的遙測應變儀解決了軸旋轉時應變信號的導出問題，并且電阻應變片的頻寬又極高，其測軸扭應變是可行的，但是其要求有足夠的安裝區域，并且質量較大，對軸的動特性影響較大［13］。

采用光電轉換式軸類扭轉角動態測量儀來測量管道的扭轉角。在管道兩端截面分別固定兩個刻線相同的光柵盤，保證兩光柵盤上的相對刻線對齊。在現場靜水壓測試時，兩光柵盤錯動，相對的刻線之間會產生相位角，利用光電轉換的方式將其檢出并轉化成可記錄的信號，這樣就實現對試驗管道的瞬時扭轉角。

靜水壓試驗時，檢測并記錄抗拉層的扭轉角度。在現場水壓測試中，扭矩的失衡大于1°/m（一端自由旋轉），說明管子失效。

3　結論

疲勞試驗是海洋管道應用于海洋立管領域最關鍵的、最復雜的驗證試驗。在API 17B中規定了海洋立管疲勞試驗的相關要求，并對海洋立管的骨架層、抗壓層和抗拉層的失效形式給出相關定義。但是對于海洋立管疲勞試驗后的失效檢測方法，規范沒有給出詳細的介紹，本文對失效檢測的方法進行探究是有意義的。

根據立管荷載分析及疲勞分析，對進行疲勞試驗的海洋立管進行滲漏檢測、圓度檢測、軸向剛度檢測、鋼帶斷裂檢測、扭轉檢測及靜水壓試驗，最終根據相關失效標準判斷海洋立管是否失效，從而保證海洋立管在實際運營中能夠達到安全可靠的疲勞壽命，根據此過程進行海洋立管疲勞試驗，形成一套合理的失效檢測系統方法，對于我國海洋立管疲勞分析具有一定的借鑒意義，并對海洋管道實際工程中有指導意義。

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Research on the Fatigue Test and Detection Method for Marine Flexible Risers

ZHAO Lin，DUAN Wen-Jing
College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong Province，China

In the API 17B criterion，the marine pipe can be used in the field of marine standpipe after being verified by all kinds of prototype testing，including press test，tension test，pressure test and fatigue test.The dynamic fatigue test is the most important and also the most complex test.By consulting the API series criteria and related documents，this paper summarizes the structural characteristics and cyclic loading effects of marine standpipes.It also conducts analysis and discussion on the fatigue analysis，fatigue test，fatigue test failure detection and acceptance criteria for marine standpipes.Finally，a system is developed to verify the performance and reliability of marine flexible standpipes.

marine standpipe；fatigue test；failure；detection method

P756.2

A

1003-2029（2016）03-0109-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.021

2015-09-14

趙林（1964-），男，碩士，副教授，主要研究方向海洋工程、水利工程。E-mail：zl_qingdao@163.com