X65海洋隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗研究

胡艷華，唐德渝，牛虎理，張志遠，賀維維

1.中國石油集團工程技術研究院，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（北京）機械與儲運工程學院，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3，賀維維3

1.中國石油集團工程技術研究院，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（北京）機械與儲運工程學院，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焊接接頭之間焊接殘余應力影響大，應力干擾和關聯應力效應突出；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，開展了規格為φ323.9 mm×18 mm的X65海洋隔水管多接頭四點彎曲+內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力幅值下的疲勞循環次數，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，還可為后續海洋隔水管的設計、制造、維修和結構承載計算提供技術支撐。

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構管道，其強度及安全性對于海上鉆井作業至關重要。為了保障海洋隔水管的安全運行，減少管道斷裂、泄漏事故的發生，需要對其疲勞性能進行試驗研究。目前，國外海洋隔水管多接頭全尺寸疲勞試驗技術已在工程中應用，但技術處于保密封鎖狀態[1-7]。在國內，中國石油集團工程技術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焊接接頭之間的焊接殘余應力影響大，應力干擾和關聯應力效應突出；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力幅值下的疲勞循環次數，可降低試驗周期與成本，提高試驗的置信度水平。在此基礎上，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，可為后續海洋隔水管的設計、制造、維修和結構承載計算提供技術支撐。

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，焊接接頭之間焊接殘余應力影響大，應力干擾和關聯應力效應突出；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，需重點關注加載段內焊接殘余應力、應力集中以及管道內部壓力停輸、試壓以及輸送介質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，其規格為φ323.9 mm×18 mm×9 000 mm，其化學成分和力學性能如表1～2所示。

表1 試樣化學成分的質量分數/%

表2 試樣力學性能

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量，在各段管道兩端進行打磨處理，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量的影響，對隔水管外表面和內部進行了預處理，保證外表面光滑，內部無雜物。同時，采用相同焊接方法和焊接工藝參數進行不同接頭試樣的制備。焊接過程中依據實際焊接情形進行焊層溫度的控制，以防產生不必要的焊接缺陷。

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

圖1 隔水管端部排氣孔預制

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需求，考慮到全尺寸疲勞設備的功能特征與技術參數，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處各有一道環焊縫，試驗過程中需確保4道環焊縫的受力一致，且均處于系統最大彎矩區。為避免試驗過程中各焊接接頭產生的應力相互影響，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，導致母材先于焊縫失效；若距離太大，會造成等彎矩段應力幅值達不到要求，因此CE與HD段的距離應在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壓聯合加載的研究方式。彎曲加載波型為正弦波形，應力比r=-1，施加頻率為0.5 Hz；內壓加載頻率為0.02 Hz。試驗過程中共設定3個應力水平，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 不同應力下全尺寸疲勞試驗的加載幅值

在試驗過程中，當任意管道接頭應力出現大幅變化或者管內水流溢出時，記錄此時失效接頭編號及其應力循環次數，并卸載結束第一輪試驗。卸載后，將管道失效接頭進行返修，經檢測合格后，開始第二輪試驗。如此反復，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據，提高管道全尺寸疲勞試驗數據的置信度，降低相同數據量下的試驗費用與周期。

2.3 多接頭全尺寸疲勞試樣的應力集中系數計算

管道對接焊縫焊接接頭處的應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力集中系數計算，本文采用如下公式就可將直徑、厚度關系的影響包括在內：

式中：SCF為應力集中系數；δt為板壁差，mm，δt=0.5（T-t）；δm為錯變量，mm；δ0為S-N數據固有軸偏量（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據，由此可計算出1#、2#、3#與4#焊接接頭的應力集中系數，如表4所示。后續疲勞試驗數據處理過程中，為了使隔水管疲勞設計更加準確，采用應力集中系數對隔水管焊接接頭處的應力幅值進行修正。

表4 應力集中系數的計算結果

3 海洋管道全尺寸疲勞試驗結果及分析

多接頭全尺寸疲勞試驗結果見表5?？紤]到焊縫區域存在應力集中現象，對表5中的名義應力幅值進行了修正，結果見表5。

表5 修正前/后的疲勞試驗結果

將表5中各試驗結果進行相應的計算，最后得出不同等級平均應力幅值下對數疲勞壽命的均值和方差S，結果如表6所示。

由于同一載荷水平下的對數疲勞壽命呈正態分布，則只要由一組子樣測試數據求出子樣均值和標準差，并將其計算結果分別當作母體均值和標準差的估計量，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。由正態分布規律，破壞概率p（存活概率R=1-p）對應的xp為：

式中：xp為對數疲勞壽命；為各級應力幅值水平下S對數疲勞壽命的平均值；S為各級應力幅值水平下對數疲勞壽命的標準偏差；up為破壞概率p對應的標準正態偏量。

表6 試驗數據計算結果

確定均值和方差S數值后，即可求得不同存活率下的對數疲勞壽命，繼而得出應力幅值和疲勞壽命的對應關系。表7為隔水管在不同應力幅值下，當存活率為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。根據表中數據，以疲勞壽命N為橫坐標，平均應力幅值S為縱坐標，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力幅值呈反比關系，即應力幅值越高，所對應的疲勞壽命越?。黄涠谕粦Ψ迪?，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系，即存活率越高，所對應的疲勞壽命越小。當應力幅值大于220 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命隨應力幅值的增高而減少的速率較慢；當應力幅值小于220 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命隨應力幅值的增高而減少的速率快；當應力幅值小于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、應力集中系數計算、焊接接頭應力應變測試分析、疲勞試驗結果修正、疲勞數據統計分析，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力幅值呈反比關系，即應力幅值越高，所對應的疲勞壽命越小。

（2）在同一應力幅值下，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系，即存活率越高，所對應的疲勞壽命越小。在應力幅值大于220 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命隨應力幅值的增高而減少的速率較慢；當應力幅值＜220 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命隨應力幅值的增高而減少的速率快；當應力幅值＜190 MPa時，隔水管焊接接頭的疲勞壽命趨于無窮大，認為試樣不會破壞。

（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力幅值下的疲勞循環次數，可為工程應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。

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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年畢業于中國石油大學（北京），博士，現主要從事海洋結構建造安裝技術研究工作。Em ail：huyh@cnpc.com.cn

2016-12-05；

2016-12-29