X65鋼級海洋管道全尺寸疲勞性能試驗研究

胡艷華，唐德渝，方總濤，?；⒗?/p>

1.中國石油集團工程技術(shù)研究院，天津300451

2.中國石油天然氣集團公司海洋工程重點試驗室，天津300451

X65鋼級海洋管道全尺寸疲勞性能試驗研究

胡艷華1，2，唐德渝1，2，方總濤1，2，牛虎理1，2

1.中國石油集團工程技術(shù)研究院，天津300451

2.中國石油天然氣集團公司海洋工程重點試驗室，天津300451

文章針對X65鋼級海洋管道，綜合考慮焊接殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中、焊接初始缺陷、管道停輸及內(nèi)部介質(zhì)壓力波動等多因素影響，在國內(nèi)首次開展了管道四點彎曲+內(nèi)壓聯(lián)合的全尺寸疲勞試驗研究。通過管道全尺寸疲勞性能試驗，得到不同規(guī)格管道在不同應(yīng)力幅下的疲勞循環(huán)次數(shù)，而后依據(jù)國際通用的標準規(guī)范BS 7608與DNVC203對全尺寸疲勞試驗結(jié)果進行了量化的評定分析。該研究不僅有利于積累海洋管道全尺寸疲勞性能試驗數(shù)據(jù)，且可為評價海洋管道后續(xù)的全尺寸疲勞試驗壽命及服役期間的安全運行周期提供定量依據(jù)。

海洋管道；焊接接頭；全尺寸疲勞試驗；疲勞性能

0 引言

以往，國內(nèi)管道疲勞試驗方法一般采用小尺寸疲勞試驗分析方法。該方法在試驗過程中忽略了尺寸效應(yīng)，且試樣加工過程中存在釋放焊接殘余應(yīng)力與應(yīng)力集中的影響，導致試驗結(jié)果偏高，實際應(yīng)用中需對其結(jié)果進行適當調(diào)整與修正。

隨著電液伺服疲勞試驗機的飛速發(fā)展，近年來國外將研究重點由小尺寸疲勞試驗轉(zhuǎn)為全尺寸疲勞試驗，取得了一定的研究成果，并在海洋重點管道工程中得到應(yīng)用[1]?？梢哉f，依據(jù)海洋管道全尺寸疲勞試驗所得到的試驗數(shù)據(jù)，用于其壽命預(yù)測與安全性評價，已逐漸成為行業(yè)的共識。鑒于此，本文針對X65鋼級海洋管道，在國內(nèi)首次開展了管道四點彎曲+內(nèi)壓聯(lián)合的全尺寸疲勞試驗研究，為其疲勞壽命評價及服役期間的安全運行提供參考依據(jù)。

1 海洋管道全尺寸疲勞試驗設(shè)備的提出與設(shè)計

通過對國外管道全尺寸疲勞試驗設(shè)備的調(diào)研分析，不難發(fā)現(xiàn)：國外管道全尺寸疲勞試驗機以臥式結(jié)構(gòu)為主，其目的主要是為了增加疲勞試驗機的系統(tǒng)行程，更好地滿足全尺寸試樣的試驗要求。鑒于此，通過對國外技術(shù)的消化吸收，本文研究人員自主攻關(guān)研制開發(fā)了國內(nèi)第一套海洋管道全尺寸疲勞試驗設(shè)備[1-2]。該試驗設(shè)備采用臥式結(jié)構(gòu)，主要由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等四部分組成，見圖1。由于海洋管道在海流和波浪力的作用下，管壁往往會產(chǎn)生較大的垂直張力，該張力極易造成管道焊接接頭的疲勞破壞，出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象；此外，管壁還需承受由于輸送油、氣或水導致壓力波動所引起的交變應(yīng)力。故機械系統(tǒng)中需包含有可施加循環(huán)彎曲載荷以及內(nèi)壓載荷的伺服作動器，控制系統(tǒng)中需包含有可對試驗過程中的數(shù)據(jù)進行實時存儲與讀寫的設(shè)備。另外，考慮到試驗周期較長，試驗設(shè)備還需具備較好的實時監(jiān)測與在線自動穩(wěn)幅、限位保護與自保護等功能。

圖1 管道疲勞試驗機系統(tǒng)構(gòu)成

2 海洋管道全尺寸疲勞試驗技術(shù)研究

2.1 全尺寸疲勞試件制備

表3 焊接工藝參數(shù)

管道全尺寸疲勞試驗采用國產(chǎn)X65 SSAW焊管，規(guī)格分別為D 108 mm×16 mm、D 323.9 mm×16 mm，其化學成分（質(zhì)量分數(shù)）和力學性能見表1、表2。

表1 化學成分/%

表2 力學性能

全尺寸疲勞試驗用管道全長為12 m。試驗采用四點彎曲+內(nèi)壓靜態(tài)疲勞加載方式，試驗過程中為了消除封頭效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響，兩端采用焊接堵頭封堵。在一端堵頭上制作進水口，出水口與進水口共用同一根軟管。在另一端距離管道端部不遠處鉆一小孔，并焊上閥門，用于排出管道內(nèi)部的空氣。

X65鋼級管道全尺寸疲勞試驗接頭形式為環(huán)焊縫對接接頭，焊接方法采用STT打底＋自保護藥芯焊絲半自動焊填充、蓋面，坡口型式為圖2所示的雙V型復(fù)合坡口。坡口下部開口較大，打底過程便于焊工觀察熔池，易于控制焊接質(zhì)量；坡口上部開口角度變小，可減少焊接填充量，提高焊接速度。焊接過程中，管道預(yù)熱溫度為100～200℃，具體的焊接工藝參數(shù)見表3。

圖2 坡口示意

2.2 全尺寸疲勞試件的裂紋預(yù)制

在海洋管道的加工預(yù)制過程中，會產(chǎn)生裂紋或裂紋式的缺陷；在管道的服役過程中，由于疲勞、蠕變、腐蝕等各種原因，管道內(nèi)部也極易出現(xiàn)裂紋。隨著海洋管道服役周期的延長，裂紋不斷生長，導致結(jié)構(gòu)承載能力和剛度下降，成為管道安全運行的隱患。一般來說，海洋管道內(nèi)部出現(xiàn)裂紋后，并不會立即引起斷裂，而是有一段穩(wěn)定擴展期，即裂紋擴展壽命。僅當裂紋擴展到臨界尺寸后，斷裂才會發(fā)生。因此，試驗過程中，為了克服管道全尺寸疲勞試驗機加載頻率過低、試驗周期過長的缺陷，可根據(jù)試驗周期需要針對性地在試驗管道焊接接頭處預(yù)制疲勞裂紋缺陷，從而在后續(xù)對其進行疲勞壽命評價時，可在忽略管道早期疲勞裂紋萌生壽命的條件下，基于小尺寸疲勞試驗得到的疲勞裂紋擴展速率與斷裂韌性，對管道的剩余疲勞壽命進行定量評價。

對于管道表面的疲勞裂紋，其顯著特點就是裂紋前沿的裂紋擴展速率各不相同，且裂紋前沿最深點處裂紋擴展速率最高。裂紋前沿各點擴展速率的差異化及不規(guī)則性，使得裂紋擴展過程中的裂紋形狀也具有不確定性。在ASME XI以及BSIPD6493標準中規(guī)定，表面裂紋擴展前沿形狀可按近似半橢圓形狀模擬。Newman和Lin等人分別采用雙自由度法和多自由度法對不同形狀因子的表面裂紋前沿擴展規(guī)律進行了研究[3-4]。結(jié)果表明，疲勞裂紋貫穿前，其表面裂紋形狀一般用半橢圓來描述；疲勞裂紋貫穿后，其表面裂紋前沿可以用橢圓的一部分來近似代替；隨著裂紋的擴展，其表面裂紋前沿逐漸過渡到用直線來代替。對于海洋管道，大多數(shù)超標缺陷都是淺長型缺陷。無論在拉伸還是彎曲條件下，淺長型裂紋的擴展主要是以深度方向為主，裂紋長度方向的變化極小。因此，研究裂紋沿壁厚方向的擴展比研究裂紋沿管體軸向的擴展更有意義。

另外，管道服役運行期間，泄漏也是一種重要的管道破壞形式，所以很多研究者以表面裂紋擴展成為穿透裂紋作為疲勞壽命試驗結(jié)束的判據(jù)，即以管道壁厚作為裂紋最深處的深度。由此只需獲得表面裂紋最深處的裂紋尖端應(yīng)力強度因子，就可計算出管道在給定疲勞條件下的疲勞壽命。本試驗中，為了模擬含缺陷管道的疲勞斷裂過程，同時保證樣管道疲勞失效斷裂的指定性，可根據(jù)試驗周期需要，在試驗管道的中部焊縫處預(yù)制出環(huán)向或軸向的外表面半橢圓形裂紋缺陷。其中，對于內(nèi)壓加載的管道試樣，在其中部焊縫處預(yù)制出軸向的外表面半橢圓形裂紋缺陷；對于彎曲加載的管道試樣，在其中部焊縫處預(yù)制出環(huán)向的外表面半橢圓形裂紋缺陷；而對于四點彎曲與內(nèi)壓靜態(tài)聯(lián)合加載的管道試樣，其疲勞裂紋預(yù)制方式按彎曲加載試樣對待。

2.3 全尺寸疲勞試驗的載荷施加

全尺寸疲勞試驗在圖1所示的試驗裝置上進行，試驗采用恒幅加載方式。試驗前先小載荷加載預(yù)制裂紋，隨后加大載荷進行疲勞試驗。對于彎曲加載，可根據(jù)試驗需求輸入加載波形與應(yīng)力比，彎曲加載的最大載荷可達到1 000 kN；四點彎曲加載時，要求兩個作動器同步動作（即相位角為0°），且保證管道中間環(huán)焊縫處于系統(tǒng)最大彎矩段內(nèi)；對于內(nèi)壓加載，可根據(jù)需要選取波形與應(yīng)力比，由此模擬實際管道內(nèi)部的介質(zhì)停輸以及內(nèi)部輸送介質(zhì)的壓力波動。本文所述的X65鋼級海洋管道，其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。四點彎曲加載時橫向載荷通過兩個相同的加載裝置加載在距離端部等距離的兩點，加載載荷在試樣的中間截面即環(huán)焊縫處引起最大彎矩。內(nèi)壓加載采用與管道端部連接的液壓子站施加，加載載荷在管道圓周截面內(nèi)引起相同數(shù)值的周期應(yīng)力。

由于慢性病患者的就醫(yī)行為主要發(fā)生在門診[13]和自購藥品[14]上，糖尿病長期而頻繁的門診治療和疾病管理所花費的醫(yī)療費用是因病致貧的主要原因[15]。上述分析顯示，糖尿病患者，尤其是低收入組和中低收入組的患者面臨著門診自付費用帶來的更大的疾病經(jīng)濟風險，也即，收入越低對長期而頻繁的門診治療的花費越敏感。

2.4 全尺寸疲勞試件的應(yīng)力應(yīng)變測試及裂紋監(jiān)測

本試驗中，應(yīng)力應(yīng)變測試采用XH5861（32通道）全程控動態(tài)采集系統(tǒng)?？紤]到管道受力的對稱性，應(yīng)變片分別粘貼在管道的9點鐘和12點鐘位置，全部采用單臂的貼片方式進行應(yīng)力應(yīng)變測試，兩枚應(yīng)變片分別沿著平行焊縫方向和垂直焊縫方向粘貼。

試驗前，通過在焊縫附近粘貼應(yīng)變片，將采集到的試驗數(shù)據(jù)與疲勞試驗機的加載輸入值進行對比，若吻合較好則表明焊縫部位采集到的應(yīng)力應(yīng)變變化數(shù)值較為準確，可為整個試驗過程中采集到的測試數(shù)據(jù)精度提供參考依據(jù)。另外，試驗過程中，可通過在試樣焊趾附近及裂紋尖端附近粘貼多枚應(yīng)變片，測試裂紋附近應(yīng)力應(yīng)變的變化來判斷裂紋的擴展，以及在重復(fù)載荷作用下裂紋的變長變寬。此時裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變也逐漸增大，即曲線的振幅增大，從而可推斷、檢測裂紋的擴展。隨著疲勞試驗的進行，裂紋逐漸擴展到管道的內(nèi)表面，管道內(nèi)部壓力瞬間釋放，且伴隨有內(nèi)部輸送介質(zhì)的外流，此時間點可定義為貫穿厚度裂紋的出現(xiàn)及失效點。見圖3。

圖3 海洋管道全尺寸疲勞試件的應(yīng)力應(yīng)變測試

3 海洋管道全尺寸疲勞試驗結(jié)果及分析

本試驗樣本為8組國產(chǎn)X65 SSAW焊管，規(guī)格分別為D 323.9 mm×16 mm×8 000 mm（1#～6#鋼管）與D108 mm×16 mm×8 000 mm（7#、8#鋼管）。試驗加載波形為正弦波，加載頻率為0.5 Hz，外部加載應(yīng)力幅值為0～200 MPa，內(nèi)部壓力為0～20 MPa。每組全尺寸疲勞試驗結(jié)束后，均對試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)進行了分析處理，并依據(jù)國際通用的標準規(guī)范BS 7608與DNVC203進行了最終的疲勞性能評定與對比分析，見圖4、圖5。

圖4 海洋管道全尺寸疲勞試驗的評定分析結(jié)果

圖5 管道失效狀況

綜合分析圖4及圖5，可以發(fā)現(xiàn)在管道全尺寸疲勞試驗中，管道疲勞失效形式可歸為以下三類。結(jié)合現(xiàn)場的管道失效示意圖進行分析，可得到如下結(jié)論：

（1）對于失效位置未知的管道。

該情況下，X65鋼管焊接接頭的疲勞循環(huán)次數(shù)已達到標準評定要求，出于時間考慮，停止試驗，評定時認定該種情況為：管道的疲勞壽命滿足要求。

其一，一般而言，疲勞裂紋在管道與夾具的接觸區(qū)（母材）萌生，先貫穿壁厚，然后沿著管道的周向擴展。

其二，造成疲勞失效的原因在于：鋼管外表面與夾具內(nèi)表面的接觸面積過小，且由于夾具內(nèi)表面的粗糙度較高，導致該處應(yīng)力集中，成為系統(tǒng)最薄弱區(qū)域；夾具內(nèi)表面打磨后可消除應(yīng)力集中。

其三，當應(yīng)力幅值過高時，母材的S-N曲線與焊接接頭的S-N曲線基本吻合。若母材受制造缺陷等因素影響，會造成該應(yīng)力范圍內(nèi)母材處的疲勞強度低于焊接接頭，導致母材先開裂。

（3）對于失效位置為焊接接頭的管道。

其一，一般而言，裂紋在焊接接頭及焊趾處萌生，先貫穿壁厚然后沿著管道周向擴展，最后造成失效。

其二，焊接接頭焊趾部位沿熔合線處易存在微觀咬邊或夾雜物，形成不連續(xù)性區(qū)域，會導致該尖銳缺陷成為疲勞裂紋初始萌發(fā)源。因此，焊接過程中形成的微觀咬邊對焊接接頭的疲勞強度影響較大，焊接過程中應(yīng)嚴格控制此類缺陷。

其三，對于焊接接頭預(yù)制裂紋管道而言，此預(yù)制裂紋的存在，會引起管道中裂紋尖端局部應(yīng)力的升高，如此管道疲勞斷裂會發(fā)生在指定的預(yù)制裂紋處，可評定為管道的指定失效。此類管道，研究其斷裂過程與斷裂判據(jù)，更接近于工程實際情況。

[1]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）:1-6.

[2]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.

[3]Newman J C，Raju I S.An empirical stress—intensity factor equationforthesurfacecrack[J].EngineeringFracture Mechanics，1981，15（1-2）：185-192.

[4]Lin X B，Smith R A.Numerical analysis of fatigue growth of external surface cracks in pressurized cylinders[J].Int．Journal of Pressure Vessels and Piping，1997，（71）：293-30.

Full-scale Fatigue Test Research ofX65 SteelSubmarine Pipeline

Hu Yanhua1，2，Tang Deyu1，2，F(xiàn)ang Zongtao1，2，Niu Huli1，2
1.CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China
2.CNPC Key Laboratory of Offshore Engineering，Tianjin 300451，China

In this paper，the fatigue performance of X65 steelsubmarine pipeline is domestically studied by means of full-scale fatigue tests（four-point bending+internal pressure），in which all the influencing factors，such as welding residual stress，stress concentration，initial defects，internal pressure shutdown and pressure fluctuation are comprehensively taken into consideration.Consequently，the fatigue cycles under different stress amplitudes can be derived and applied to predict quantitatively the fatigue lives of pipes with different dimensions.Additionally，the test results are compared with the recommended data of international general standards，such as BS 7608 and DNV C203，by which the fatigue safety of pipes could be evaluated.Therefore，this study is not only beneficial to the accumulation of full-scale fatigue test data of pipes，but also can provide the quantitative basis for evaluating the fatigue life and ensuring the safety operation cycles of pipes.

submarine pipeline；welded joint；full-scale fatigue test；fatigue performance

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.007

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（北京），工學博士，現(xiàn)主要從事海洋鋼結(jié)構(gòu)建造安裝技術(shù)研究工作。

2014-04-02