海底管道焊接接頭疲勞壽命仿真分析

吳振宇 徐永昌 劉軍 王立權(quán)

摘要：文章結(jié)合《管道及有關(guān)設(shè)施的焊接》（API 1104-2001）以及挪威標(biāo)準(zhǔn)《海洋管道系統(tǒng)》（DNV-OS-F101），運用有限元法分析了焊接坡口角度大小對焊接接頭疲勞壽命的影響，并獲得較佳的焊接坡口角度，為以后焊接工藝提供參考，最后運用Miner損傷定則對管道使用壽命進(jìn)行了計算，驗證焊接工藝的可行性。

關(guān)鍵詞：海底管道；X80鋼；交變載荷；焊接接頭；疲勞壽命；有限元 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TE973 文章編號：1009-2374（2016）05-0077-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.039

隨著能源工業(yè)以及海洋勘探、開采的迅速發(fā)展，資源開發(fā)從陸地轉(zhuǎn)移到海洋，并且從常規(guī)水深（小于500m）向深水（500～1500m）乃至更深層的水域（大于1500m）發(fā)展，深層次的海洋開發(fā)正逐步成為世界石油工業(yè)的主要增長點和競爭點。海底管道是海上石油運輸?shù)闹饕绞街?，由于海底管道所處環(huán)境非常復(fù)雜，會受到多種載荷的作用，其中輸油載荷海底管道承受的主要載荷，這些載荷對管道的壽命以及海油工程的安全性具有重要影響。在海油工程中受市場供需以及輸油技術(shù)造成的啟停等原因，管道的輸油壓力會發(fā)生周期性的波動，對管道產(chǎn)生周期性的交變應(yīng)力。在此交變載荷的作用下，管道由于工藝等原因造成的原始缺裂紋會發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最終引發(fā)管道的疲勞斷裂。焊接是海底管道接頭常用的連接方式，焊接部位由于焊接工藝以及材料上的缺陷，是管道結(jié)構(gòu)中最容易發(fā)生破壞的薄弱環(huán)節(jié)。在受到油液的交變載荷時常會發(fā)生疲勞失效，因此對焊縫疲勞壽命分析是預(yù)防疲勞損壞和疲勞失效故障的首要前提，而焊接坡口角度的大小是焊接工藝中很重要的參數(shù)，本文采用有限元的方法進(jìn)行焊接坡口角度對焊縫疲勞壽命的影響研究。

1 管道選取及載荷分析

1.1 管道載荷分析

海底管道在輸油過程中會受多種載荷的作用，主要受管道的內(nèi)壓和外壓。本文對雙層管疲勞壽命進(jìn)行研究，故只考慮內(nèi)壓，且暫不考慮管道受到的其他載荷和溫度影響。管道的疲勞失效通常是由管道受到的各種交變應(yīng)力引起的，用R表示交變應(yīng)力變化程度，R等于輸油壓力最小值與最大值之比，根據(jù)輸油實際情況在0.1～0.6之間。當(dāng)交R接近于0.1時，相當(dāng)于多次啟停供油或反復(fù)進(jìn)行壓力試驗等情況；當(dāng)R接近于0.6時，相當(dāng)于在正常輸油過程中油壓發(fā)生壓力波動的情況。在對管道進(jìn)行疲勞分析時，必須綜合考慮這兩種工況，以使分析結(jié)果更接近實際情況。

實際管道的額定輸油壓力為34.5MPa，取管道輸油最大壓力為34.5MPa。管道輸油過程中由壓力波動引起的應(yīng)力循環(huán)峰值，選取為輸油壓力為34.5MPa時所產(chǎn)生的應(yīng)力。

1.2 管道參數(shù)選取

考慮到油田水下采油環(huán)境及管道受載情況，并對美國標(biāo)準(zhǔn)《管道及有關(guān)設(shè)施的焊接》（API 1104-2001）以及挪威標(biāo)準(zhǔn)《海洋管道系統(tǒng)》（DNV-OS-F101）相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核，采用API X80焊接管線。根據(jù)AIP 1104標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的焊接材料與母材高強(qiáng)匹配的原則，選擇了與母材強(qiáng)度相匹配的焊接材料。根焊焊條采用日本產(chǎn)LB-52U低氫型焊條（符合AWS A5.1 E7016）。

填充、蓋面焊選用的焊絲為HOBART FABSHIELD X80（符合AWS A5.29 E81T8-Ni2J）。此型號焊絲具有較強(qiáng)的抗低溫沖擊性能。根據(jù)API Spec 5L規(guī)定的X80管線鋼力學(xué)性能如表1所示：

2 有限元模型建立與計算

2.1 有限元模型建立

采用V型坡口進(jìn)行焊接，由于X80鋼的壁厚一般都比較大，所以在考慮坡口角度時，取的數(shù)值比較小，為40°～50°。分別取坡口角40°、50°、60°進(jìn)行建模與分析。

運用ANSYA軟件建立整個管道及焊縫的有限元網(wǎng)格模型，對管道采用六面體單元劃分網(wǎng)格，對焊縫采用四面體單元劃分網(wǎng)格，在邊界處進(jìn)行網(wǎng)格單元節(jié)點的連接。

管道及焊材具有好的韌性，故采用Gerber理論對其進(jìn)行擬合與分析。

焊接接頭及管道要進(jìn)行磨平處理，表面較光滑，應(yīng)力集中相對較小，根據(jù)取疲勞強(qiáng)度因子1.5進(jìn)行分析。

2.2 有限元結(jié)果分析

2.2.1 交變載荷下的焊縫應(yīng)力分析結(jié)果。

圖1中從左到右依次為焊縫坡口為40°、50°、60°時的焊縫及管道應(yīng)力云圖。受有限元建模時模型固定位置選取的影響，會在管道兩端面出現(xiàn)應(yīng)力較大的現(xiàn)象，但實際并非如此，且這樣建模對焊縫應(yīng)力計算影響較小，故忽略靠近管道兩端的應(yīng)力。

焊接接頭最大應(yīng)力發(fā)生在焊材與母材接觸的熔融區(qū)，發(fā)生位置受坡口角度影響較小，但坡口角度對焊縫處應(yīng)力值影響較大，當(dāng)坡口角度為60°時應(yīng)力最大，應(yīng)力值約200MPa；坡口角度為50°時應(yīng)力最小，應(yīng)力值約為149MPa。

2.2.2 疲勞壽命分析結(jié)果。當(dāng)管道內(nèi)油液脈動壓力比為R=0.6時，焊接接頭壽命分析結(jié)果：

圖2為交變應(yīng)力比R=0.6情況下，從左到右依次為坡口角度為40°、50°、60°時的焊縫及管道疲勞壽命云圖。

在應(yīng)力比R=0.6時，當(dāng)坡口角度為60°時疲勞損傷最大，循環(huán)次數(shù)達(dá)到89059次時發(fā)生疲勞失效。當(dāng)坡口角度為50°時疲勞損傷最小，循環(huán)次數(shù)達(dá)到189410次時發(fā)生疲勞失效?？芍缚p坡口角度過大或過小都會加速疲勞斷裂發(fā)生。

當(dāng)管道內(nèi)油液脈動壓力比R=0.1時，焊接接頭壽命分析結(jié)果如下：

圖3為交變應(yīng)力比R=0.1情況下，從左到右依次為坡口角度為40°、50°、60°時的焊縫及管道疲勞壽命云圖。

在應(yīng)力比R=0.1時，當(dāng)坡口角度為60°時疲勞損傷最大，循環(huán)次數(shù)達(dá)到62781次時發(fā)生疲勞失效。當(dāng)坡口角度為50°時疲勞損傷最小，循環(huán)次數(shù)達(dá)到134040次時發(fā)生疲勞失效。可得焊縫坡口角度過大或過小都會加速疲勞斷裂的發(fā)生。

通過兩種工況下的疲勞壽命分析，知在應(yīng)力比R較小時更易發(fā)生疲勞失效。

3 管道壽命分析

運用Miner損傷定則對管道疲勞壽命進(jìn)行計算。

Miner損傷定則：若構(gòu)件在給定循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞斷裂總壽命為，則在此循環(huán)應(yīng)力下循環(huán)1次，其壽命要縮短，1次應(yīng)力循環(huán)所產(chǎn)生的損傷D定義為D=。顯然，若零件在此循環(huán)應(yīng)力下循環(huán)次，則損傷D=1，零件發(fā)生疲勞斷裂。對海底X80焊管焊接接頭進(jìn)行疲勞壽命分析時，應(yīng)采用Miner線性累積損傷定則。Miner線性損傷定則公式如下：

式中：D為結(jié)構(gòu)斷裂是發(fā)生的總損傷，N1、N2為結(jié)構(gòu)在應(yīng)力σ1、σ2下發(fā)生斷裂時的總壽命循環(huán)次數(shù)。n1、n2為材料在σ1、σ2下的循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)深海管道輸送油液的實際情況，油液輸送過程發(fā)生壓力波動（即應(yīng)力比R=0.6）每年疲勞壽命循環(huán)周次為1000次，由于管道維修或其他原因發(fā)生的輸油啟停（應(yīng)力比R=0.1）每年疲勞壽命循環(huán)周次為50次，由于實際焊接過程有一定的隨機(jī)性，為安全考慮，在進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測時取安全系數(shù)為6，根據(jù)上述條件對管道焊接接頭綜合疲勞壽命進(jìn)行計算。根據(jù)公式可計算得管道焊接接頭使用年限如表4所示：

根據(jù)海底管道使用年限要求為20年，采用以上焊接工藝焊接時均能滿足工程設(shè)計要求，但采用坡口角50°焊接工藝焊接能使用更長年限。

4 結(jié)語

（1）在兩種工況下，焊縫坡口角大小對接頭的使用壽命影響大致相同，坡口角度過大或過小都會加速焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂，當(dāng)坡口角度為60°時疲勞損傷最大；當(dāng)坡口角度為50°時疲勞損傷最小，且在應(yīng)力比R較小時更易發(fā)生疲勞，這對以后海底管道的焊接工藝具有一定的指導(dǎo)意義；（2）海油輸送過程中壓力波動對管道的疲勞壽命有顯著的影響。在實際輸油過程中應(yīng)盡量減少油壓的波動，更應(yīng)減小油壓的波動幅度；（3）基于X80焊管焊接接頭材料力學(xué)性能和管道載荷譜，通過ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，并按照Miner累積損傷定則，估算了海底管道焊縫的疲勞壽命。在R值為0.1和0.6兩種工況下，焊接接頭的疲勞壽命均超過20年，滿足海底管道設(shè)計壽命要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 周惠久，黃明志.金屬材料強(qiáng)度學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1989.

[2] RITCHIE R O，GILBERT C J，MCNANET J M.Mechanics and Mechanisms of Fatigue Damage and Crackgrowth in Advanced Materials[J].International Journalof Solids and Structures，2000，（37）.

[3] FERRERIA J M，PEREIRA A H，BRANCOCM.AFracture Mechanics Based Fatigue Life Prediction for Welded Joints of Square Tubes[J].Thin-Walled Struc-tures，1995，（21）.

[4] IBS J B，AGERSKOV H.An Analytical Model for Fatigue Life Pred iction Based on Fracture Mechanics and Crack Closure[J].Construct Stee l Research，1996，（37）.

[5] 羅金恒，趙新偉，熊慶人，等.缺陷管道疲勞壽命預(yù)測新模型及試驗驗證[J].石油機(jī)械，2005，33（2）.

[6] American Petroleum Institute，API 1104，welding of pipelines and related facilities，Washingto n：American Petroleum Institute，2007.

[7] DNV-OS-F101，Rules for Submanine Pipeline System，2000.

[8] 欒春遠(yuǎn).壓力容器全模型分析與強(qiáng)度計算新規(guī)范[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

基金項目：十二五國家科技重大專項：荔灣3-1及周邊氣田水下管道回接技術(shù)及配套裝備應(yīng)用研究（課題編號：2011ZX05056-002-03）。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）