海洋立管全尺寸疲勞試驗方法研究及標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用*

王耀鋒， 白 麗， 侯曉東， 姚美麗， 黨 恩，劉宏亮， 雷廣進(jìn)， 孫傳軒， 王紫怡

（1. 中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司， 陜西 寶雞 721002；2. 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721002； 3. 陜西法士特集團(tuán)公司， 陜西 寶雞 721300）

0 前 言

海洋立管在風(fēng)、 浪、 流、 頂張力等交變載荷長期作用下， 焊縫及管體會產(chǎn)生疲勞裂紋， 導(dǎo)致疲勞失效， 從而發(fā)生重大安全事故。 目前海洋立管的疲勞試驗得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注， 并且已有大量的相關(guān)研究[1-8]。 劉秀全等[9]介紹了海洋立管的各種疲勞試驗方法， 認(rèn)為共振彎曲疲勞試驗方法將成為立管全尺寸試驗的標(biāo)準(zhǔn)方法； 侯曉東等[10-11]基于共振式疲勞試驗方法進(jìn)行了疲勞試件設(shè)計、加載參數(shù)確定、 試驗過程及結(jié)果分析； 王耀鋒等[12]對疲勞試驗力學(xué)模型進(jìn)行理論研究， 結(jié)果表明，疲勞理論計算值與有限元分析結(jié)果、 試驗檢測值基本一致。 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司先后承擔(dān)了國家863 計劃項目“深水鉆井隔水管系統(tǒng)技術(shù)研究”（2008AA09A106）、“深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程化研制” （2013AA09A222） 和工信部科研項目“海洋鉆井平臺用深海隔水管系統(tǒng)研究及關(guān)鍵部件研制” （裝［2014］162）等國家重大科技攻關(guān)項目，制訂GB/T 33508—2017 《立管疲勞推薦作法》 和SY/T 7605—2020 《海洋立管全尺寸疲勞試驗方法》 2 項海洋立管疲勞試驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 依據(jù)該技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)， 完成了海洋立管全尺寸疲勞試驗20多個， 驗證和評價了立管系統(tǒng)的疲勞設(shè)計及焊接工藝。 針對海洋立管全尺寸疲勞試驗技術(shù)難題，提出了有效的定量評價方法及標(biāo)準(zhǔn)， 該方法和標(biāo)準(zhǔn)可拓展到其他行業(yè)， 進(jìn)一步提升不同規(guī)格管材的疲勞性能。

1 疲勞試驗機(jī)理

1.1 力學(xué)模型

疲勞試驗的力學(xué)模型如圖1 所示， 假設(shè)立管的各截面中心主慣性軸在同一平面xou 內(nèi)，外載荷也作用在該平面內(nèi)， 立管在該平面內(nèi)作橫向振動， 可以忽略剪切變形以及截面繞中性軸轉(zhuǎn)動慣量的影響， 該力學(xué)模型可簡化為歐拉-伯努利梁[13]。

圖1 疲勞試驗力學(xué)模型

1.2 微分方程

平衡方程[14]如下：

式中： u (x, t) ——距原點(diǎn)x 處的截面在時刻t的橫向位移， m；

m （x,t） ——單位長度上的外力矩， N·m；

p （x, t） ——單位長度上的外力， N；

ρ——單位體積梁的質(zhì)量， kg；

A——梁橫截面面積， m2；

E——材料彈性模量， MPa；

I——截面對中性軸慣性矩， m4。

通過求解可得到梁的主振動方程為

其中， C1， C2， C3， C4， b， β 均為常數(shù)。

1.3 邊界條件

以左端配重塊為研究對象， 可得

式中： ml——左端配重塊， kg；

sl——左端配重塊中心到管端的距離， m；

Jl——左端配重塊質(zhì)量慣性矩， kg·m2。

1.4 應(yīng)力幅求解

激振力為

式中： re——偏心距， m；

me——偏心激振質(zhì)量， kg；

ωe——旋轉(zhuǎn)激勵角速度， r/s。

試驗設(shè)置了兩個支撐部分， 采用分離變量法可以得到

式中： K——剛度矩陣， N/m；

δ——位移， m；

t——時間， s；

W——質(zhì)量矩陣， kg；

F ——力矩陣， N。

在激振力作用下， 海洋立管中部應(yīng)力幅度為

由上式可知， 共振彎曲試驗時最大應(yīng)力幅度可達(dá)982 MPa， 大于隔水管主管的屈服應(yīng)力， 滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞試驗條件。

2 疲勞試驗平臺搭建

2.1 總體布局

海洋立管共振彎曲疲勞試驗裝置主要由機(jī)械激振裝置、 支撐裝置、 加壓系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和處理軟件、 電控系統(tǒng)等組成。 為了保障試驗過程安全， 試驗裝置主體安裝在地坑中， 在監(jiān)測控制室集中控制監(jiān)測試驗過程。

2.2 總體方案

本裝置通過加壓系統(tǒng)為立管試件提供預(yù)張力，用以模擬立管工作壓力或軸向張緊力， 機(jī)械激振系統(tǒng)是該裝置核心部件， 用于對立管試件進(jìn)行交變彎曲載荷的加載， 控制系統(tǒng)通過變頻器對激振力大小進(jìn)行調(diào)節(jié)， 進(jìn)而調(diào)整立管試件的交變應(yīng)力幅值。 當(dāng)試件所承受的交變彎曲載荷幅值達(dá)到要求并持續(xù)穩(wěn)定時， 動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始記錄并輸出立管的應(yīng)變、 循環(huán)次數(shù)等試驗數(shù)據(jù)。

2.3 試件管材

疲勞試驗試件采用高尺寸精度海洋立管用X80 鋼管[14]。 國產(chǎn)化X80 鋼級Φ533.4 mm立管用直縫埋弧焊管主要技術(shù)指標(biāo)參考了API SPEC 5L 標(biāo)準(zhǔn)， 在此基礎(chǔ)之上對屈強(qiáng)比、 伸長率及硬度等指標(biāo)提出了更高的要求， 在管徑、 壁厚、 橢圓度、 直線度等外觀幾何尺寸方面， 指標(biāo)控制得更加嚴(yán)格。

3 立管疲勞試驗方法

3.1 概 述

在理論分析基礎(chǔ)上， 開發(fā)了海洋立管疲勞試驗用X80 鋼管， 搭建全尺寸疲勞試驗平臺， 進(jìn)行海洋立管全尺寸疲勞試驗， 為SY/T 7605 標(biāo)準(zhǔn)的制訂積累技術(shù)經(jīng)驗。 該標(biāo)準(zhǔn)對海洋立管全尺寸疲勞試驗的試驗方法、 試驗裝置、 試樣設(shè)計與制備、 試驗程序、 試驗結(jié)果處理等方面提出了具體技術(shù)要求[15]， 被廣泛應(yīng)用于海洋鉆井隔水管、 采油立管、 隔水導(dǎo)管等海洋立管類產(chǎn)品的全尺寸疲勞試驗。

3.2 試驗裝置設(shè)計

3.2.1 激振系統(tǒng)

激振力的頻率和大小應(yīng)能根據(jù)加載應(yīng)力范圍的需要進(jìn)行無級調(diào)節(jié)， 激振頻率應(yīng)保持在10～30 Hz， 最大激振力≥40 000 N， 同時應(yīng)保證可以激發(fā)產(chǎn)生共振彎曲， 使試樣所關(guān)注橫截面上的應(yīng)力按正弦規(guī)律周期性變化。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)

應(yīng)能采集和記錄動態(tài)應(yīng)變、 載荷循環(huán)次數(shù)和加載頻率。 應(yīng)變采集設(shè)備至少有6 個應(yīng)變數(shù)據(jù)采集通道， 誤差≤1%。 應(yīng)變采集設(shè)備的采樣頻率≥加載頻率的20 倍。 數(shù)據(jù)采集軟件界面應(yīng)能實時采集和顯示應(yīng)變數(shù)據(jù)時域信號、 幅頻信號；數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)能對采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部處理， 以得到每個加載周期內(nèi)的應(yīng)變最大值、 應(yīng)變最小值， 并能計算應(yīng)變范圍、 加載頻率、 載荷循環(huán)次數(shù)； 數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)能按照一定時間間隔輸出該段時間內(nèi)各通道的應(yīng)變范圍平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差、 載荷循環(huán)次數(shù)、 加載頻率等數(shù)據(jù)， 輸出時間間隔≤5 min。

3.2.3 支撐裝置

應(yīng)采用跨距可調(diào)節(jié)的兩點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)， 支撐方式不應(yīng)限制試樣的振動形態(tài)， 支撐裝置宜為彈性支撐結(jié)構(gòu)。

3.2.4 加壓系統(tǒng)

應(yīng)能為試樣加載內(nèi)壓， 以提供試樣的軸向張力或內(nèi)壓環(huán)境工況； 應(yīng)能連續(xù)采集和監(jiān)測試樣內(nèi)腔壓力數(shù)據(jù)。

3.2.5 控制系統(tǒng)

應(yīng)能實現(xiàn)無級調(diào)速， 宜采用變頻控制； 應(yīng)具備激振系統(tǒng)緊急停機(jī)功能； 應(yīng)具備加壓系統(tǒng)快速泄壓功能。

3.3 試樣設(shè)計與制備

3.3.1 試樣設(shè)計

應(yīng)根據(jù)試驗?zāi)康脑O(shè)計不同試樣， 試樣一般有全直管、 環(huán)焊縫連接、 螺紋連接、 法蘭連接等形式。 試樣設(shè)計時， 環(huán)形焊縫、 螺紋連接、法蘭連接等關(guān)鍵檢測位置應(yīng)設(shè)計在中間部位，試樣的關(guān)鍵特征尺寸應(yīng)為全尺寸。 需加載內(nèi)壓時， 應(yīng)在試樣兩端設(shè)計封頭， 封頭設(shè)計[16]應(yīng)符合GB/T 150.3 標(biāo)準(zhǔn)。 試樣長度應(yīng)根據(jù)模態(tài)計算結(jié)果及試驗裝置參數(shù)進(jìn)行設(shè)計， 同時要結(jié)合連接工裝、 試樣內(nèi)腔介質(zhì)等對試樣固有頻率的影響，以確保試樣的一次彎曲振動固有頻率在試驗裝置加載頻率范圍內(nèi)， 并且應(yīng)小于30 Hz。 將一次彎曲共振形態(tài)時中心軸振幅為0 的位置定為試樣支撐點(diǎn)， 疲勞試樣一次彎曲振型如圖2 所示。

圖2 疲勞試樣一次彎曲振型

3.3.2 試樣制備

試樣的材料及成型方法、 接頭連接形式、 焊縫形式、 焊接工藝等應(yīng)和產(chǎn)品一致。

3.4 試驗載荷

3.4.1 載荷類型

試驗時， 試樣承載的交變彎曲應(yīng)力σ 隨時間t 呈正弦規(guī)律周期性變化， 且平均應(yīng)力σm＞0，應(yīng)力比r＞0。

3.4.2 載荷大小

試驗應(yīng)力范圍由委托方確定， 應(yīng)保持試樣最大應(yīng)力σmax≤材料屈服強(qiáng)度的2/3。 試驗加載應(yīng)力范圍偏差不宜超過要求加載應(yīng)力范圍的±15%。 在試驗結(jié)果數(shù)據(jù)處理時， 應(yīng)按照實際加載的應(yīng)力范圍進(jìn)行疲勞壽命評估。 試驗時， 試樣內(nèi)腔可充液加壓， 壓力大小與產(chǎn)品額定壓力相同。

3.5 試驗準(zhǔn)備

3.5.1 測量計算SCF

試驗前， 應(yīng)按照SY/T 10049[17]規(guī)定確定試樣的應(yīng)力集中系數(shù)SCF。

3.5.2 密封性能測試

試樣內(nèi)腔有充液要求時， 應(yīng)先進(jìn)行密封性能測試， 測試壓力為產(chǎn)品額定壓力。 測試時逐級加壓， 當(dāng)壓力達(dá)到額定壓力后進(jìn)行保壓， 加壓級數(shù)≥3 級， 保壓時間≥15 min。 保壓期間試樣應(yīng)無可見滲漏， 壓降應(yīng)小于額定壓力的5%。

3.5.3 應(yīng)變測試要求

應(yīng)變片類型應(yīng)滿足動態(tài)應(yīng)變測試要求， 其中， 應(yīng)變片布置位置應(yīng)避開應(yīng)力集中區(qū)域， 應(yīng)變片與應(yīng)力集中截面距離≥6 倍壁厚。 應(yīng)變片沿管體環(huán)向均勻分布， 每個橫截面應(yīng)變片不少于3 個。

3.6 試驗過程

3.6.1 共振調(diào)試

在調(diào)試時， 試樣內(nèi)腔的壓力≤0.5 MPa。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化， 各通道應(yīng)變調(diào)零， 同時緩慢增加激振系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速， 提高激振頻率，使得試樣振動頻率逐步接近試樣一次彎曲固有頻率， 觀察數(shù)據(jù)曲線， 各通道應(yīng)變數(shù)值是否達(dá)到試驗要求的應(yīng)變范圍。 若振動頻率已經(jīng)達(dá)到或超過了試樣的一次彎曲固有頻率而應(yīng)變范圍卻未達(dá)到要求， 應(yīng)臨時停機(jī)， 調(diào)節(jié)激振系統(tǒng)激振力。

重復(fù)進(jìn)行上述程序， 直至測得的試樣應(yīng)變范圍滿足試驗要求、 各通道應(yīng)變曲線呈現(xiàn)穩(wěn)定的正弦規(guī)律周期性變化為止， 記錄此時的應(yīng)變變化頻率 （即試樣加載頻率）。 試樣應(yīng)變范圍達(dá)到加載要求并穩(wěn)定后， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始輸出保存加載頻率、 應(yīng)變范圍和載荷循環(huán)次數(shù)， 數(shù)據(jù)采集輸出5～15 min 后， 停止調(diào)試， 檢查確認(rèn)輸出保存的各數(shù)據(jù)應(yīng)處于正常狀態(tài)。

3.6.2 疲勞試驗

共振調(diào)試完成后方可進(jìn)行疲勞試驗， 試驗可分段進(jìn)行。 疲勞試驗現(xiàn)場工況如圖3 所示， 試驗前， 開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 將各應(yīng)變通道數(shù)據(jù)清零。試樣內(nèi)腔有充液要求時， 開啟加壓控制系統(tǒng)， 加載到試驗壓力后持續(xù)保壓。 再次將各應(yīng)變通道數(shù)據(jù)清零， 開啟變頻器， 逐漸調(diào)大電機(jī)轉(zhuǎn)速， 直至達(dá)到共振調(diào)試所確定的試樣加載頻率。

圖3 疲勞試驗現(xiàn)場工況

如果試驗中斷繼續(xù)試驗時， 應(yīng)再次按照上述步驟執(zhí)行。 試樣出現(xiàn)穿透裂紋或刺漏時， 認(rèn)定試樣失效。 試驗過程因異常情況中斷， 如果應(yīng)變范圍在要求范圍內(nèi)， 采集的加載循環(huán)次數(shù)應(yīng)累計。

3.7 試驗結(jié)果處理

3.7.1 目標(biāo)壽命曲線

目標(biāo)壽命曲線是基于數(shù)理統(tǒng)計學(xué)一定置信區(qū)間的計算值， 按公式（8） 計算確定。

式中： Ntarget——所選定級別S-N 曲線的目標(biāo)壽命；

n——試驗樣本數(shù)；

σ——lgN 的標(biāo)準(zhǔn)偏差， 針對SY/T 10049中所有級別的S-N 曲線， σ=0.2；

X——基于平均壽命的標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)量， 當(dāng)基于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布下97.5%存活率時X=1.96； 當(dāng)基于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布下95%存活率時X=1.645。

3.7.2 疲勞壽命等級判定

若參與評估的所有海洋立管有效試樣的疲勞試驗循環(huán)次數(shù)高于對應(yīng)級別的目標(biāo)壽命， 則可以判定該海洋立管的疲勞壽命滿足該級別的要求。

圖4 是海洋立管疲勞壽命評估圖示例， 圖4中F3 類、 C1 類、 W3 類3 條曲線均是在試驗樣本數(shù)n=2 時， 通過公式（8） 計算得出的目標(biāo)壽命曲線。 圖4 中顯示試樣1 和試樣2 所代表的海洋立管疲勞壽命高于SY/T 10049 中的W3 類、 F3 類目標(biāo)疲勞壽命曲線， 低于SY/T 10049 中的C1 類目標(biāo)疲勞壽命曲線， 因此， 該海洋立管疲勞壽命滿足SY/T 10049 中F3 類級別。

圖4 海洋立管疲勞壽命評估示例

4 標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用效果

共振彎曲疲勞試驗方法的激勵載荷頻率接近試件的固有頻率， 會導(dǎo)致試件發(fā)生共振， 共振過程中試件截面出現(xiàn)交變應(yīng)力， 從而產(chǎn)生疲勞損傷。 由于共振彎曲疲勞試驗頻率較高， 為20～30 Hz， 且1 天大約可以實現(xiàn)200 萬次循環(huán)試驗， 相比其他疲勞試驗方法， 此方法可節(jié)省試驗時間。

基于海洋立管全尺寸疲勞試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)建立的共振彎曲疲勞試驗臺可滿足大直徑管材類、 套管類、 油管類產(chǎn)品的全尺寸疲勞壽命測試， 現(xiàn)已在海洋石油鉆采設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 通過對立管產(chǎn)品進(jìn)行全尺寸疲勞試驗， 驗證和評價了立管系統(tǒng)的疲勞設(shè)計及焊接工藝的正確性， 同時也保證了海洋立管的疲勞性能，加速了海洋立管產(chǎn)品的國產(chǎn)化應(yīng)用， 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

（1） 通過將海洋立管全尺寸疲勞試驗方法標(biāo)準(zhǔn)化， 制訂了GB/T 33508—2017 《立管疲勞推薦作法》 和SY/T 7605—2020 《海洋立管全尺寸疲勞試驗方法》 等2 項疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)， 從而規(guī)范了海洋立管全尺寸疲勞試驗裝置、 試樣設(shè)計與制備、 試驗程序、 試驗結(jié)果處理和試驗報告等方面。

（2） 通過研究海洋立管全尺寸共振彎曲疲勞試驗方法， 搭建立管疲勞試樣專用試驗平臺，提高了海洋立管疲勞試驗效率， 保證了產(chǎn)品的疲勞壽命。

（3） 標(biāo)準(zhǔn)中提出的試驗方法和統(tǒng)一的疲勞壽命等級判定方法， 有助于評估產(chǎn)品疲勞壽命，提升海洋立管產(chǎn)品質(zhì)量， 展示出良好的經(jīng)濟(jì)效益。