深水鉆井隔水管共振式疲勞試驗(yàn)研究

侯曉東，劉宏亮，雷廣進(jìn)，陳　葉，李　晨，王文君

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721001；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721001)①

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試驗(yàn)研究

深水鉆井隔水管共振式疲勞試驗(yàn)研究

侯曉東1，2，劉宏亮1，2，雷廣進(jìn)1，2，陳葉1，李晨1，王文君1

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721001；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721001)①

以深水鉆井隔水管的全尺寸彎曲疲勞試驗(yàn)為契機(jī)，對共振式疲勞試驗(yàn)方法的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了探索。基于該方法在隔水管疲勞試件設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過程及結(jié)果分析等方面進(jìn)行了系統(tǒng)分析和研究。試驗(yàn)測試結(jié)果證明了采用有限元模態(tài)計(jì)算進(jìn)行隔水管全尺寸疲勞試件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。通過理論加載曲線和實(shí)測加載歷程的對比驗(yàn)證了共振式彎曲疲勞試驗(yàn)加載方法的正確性。該試驗(yàn)的成功為共振式疲勞試驗(yàn)方法和相應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備在大直徑管材全尺寸疲勞試驗(yàn)領(lǐng)域的深入應(yīng)用提供了參考。

疲勞試驗(yàn)；共振；隔水管；模態(tài)分析

鉆井隔水管是深海油氣鉆井作業(yè)中連通海上鉆井平臺與海底的水下防噴器的通道，是深海油氣鉆井過程中不可或缺的前提條件。深水鉆井隔水管的工作環(huán)境非常惡劣，它所承受的外載有很強(qiáng)的隨機(jī)性，各種隨機(jī)載荷的長期作用會使隔水管在應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服條件時產(chǎn)生疲勞破壞，引起鉆井中斷，甚至造成海域污染等嚴(yán)重后果[1-2]。因此，深水鉆井隔水管的疲勞性能研究、疲勞試驗(yàn)方法受到海洋鉆井裝備領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，做了大量的相關(guān)研究[3-7]。然而，國內(nèi)對深水鉆井隔水管共振式彎曲疲勞試驗(yàn)方面的研究很少，該方法在國內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用幾乎沒有。劉秀全等人[8]對適用于海洋油氣立管的各種疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行了闡述，通過論述不同試驗(yàn)方法的試驗(yàn)原理、試驗(yàn)機(jī)模型以及優(yōu)缺點(diǎn)對比，認(rèn)為共振彎曲疲勞試驗(yàn)法試驗(yàn)頻率高，無附加力，已成為立管全尺寸疲勞試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。趙煥寶等人[9]根據(jù)深水鉆井隔水管的實(shí)際工況對彎曲疲勞試驗(yàn)載荷進(jìn)行了分析研究，得出了在給定參數(shù)下，電機(jī)轉(zhuǎn)速與隔水管試件應(yīng)力幅的對應(yīng)關(guān)系。2014年，侯曉東等人[10]成功設(shè)計(jì)建造了海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)裝置，主要用于立管類產(chǎn)品的共振式彎曲疲勞試驗(yàn)。本文以E級深水鉆井隔水管的全尺寸共振式彎曲疲勞試驗(yàn)為例，闡述了共振式疲勞試驗(yàn)方法在具體產(chǎn)品試驗(yàn)中的應(yīng)用，特別對采用共振式疲勞試驗(yàn)法時，相應(yīng)全尺寸疲勞試件的設(shè)計(jì)方法提出了建議。

1　試驗(yàn)裝置及參數(shù)

隔水管共振式全尺寸疲勞試驗(yàn)在海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1。該裝置用于全尺寸的海洋立管主體、對接環(huán)縫或各類型接頭在彎曲疲勞載荷工況下的疲勞壽命測試，其加載頻率高，1 h最多可實(shí)現(xiàn)10萬次以上的應(yīng)力加載循環(huán)，并且在管材每一個橫截面的周向任意點(diǎn)均能達(dá)到相同幅值的交變彎曲應(yīng)力。試驗(yàn)裝置主要參數(shù)如表1。

圖1　海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)裝置

表1　海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)裝置參數(shù)

2　全尺寸疲勞試件設(shè)計(jì)

采用共振式疲勞試驗(yàn)方法，首先要確定試件的結(jié)構(gòu)尺寸，使其彎曲振動固有頻率在試驗(yàn)裝置加載頻率可達(dá)到的范圍內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)裝置加載頻率0～30 Hz，試件要達(dá)到彎曲共振，其純彎曲模態(tài)下的固有頻率應(yīng)在該頻率范圍之內(nèi)，同時，由于加載頻率和疲勞試驗(yàn)效率成正比，為了提高試驗(yàn)效率，試件純彎曲模態(tài)固有頻率不能太低。另一方面，在設(shè)計(jì)立管疲勞試件時，應(yīng)綜合考慮立管試件、靜載室和動載室進(jìn)行模態(tài)分析，確保立管試件一階固有頻率在合理范圍內(nèi)(一般為15～30 Hz)。在此基于ANSYS仿真平臺有限元模態(tài)分析方法[11]，試算初步設(shè)計(jì)的隔水管疲勞試件的固有頻率及振型。

2.1有限元模型建立

初步設(shè)計(jì)鉆井隔水管全尺寸疲勞試件長度為8 500 mm，外徑?533.4 mm，與隔水管產(chǎn)品一致。試件兩端焊接有封板及進(jìn)排水接頭，試驗(yàn)時內(nèi)腔充滿水，用于模擬實(shí)際工況中的隔水管內(nèi)壓和張緊力載荷。為了使計(jì)算模型更接近于實(shí)際情況，分析中對疲勞試件、激振端夾具、配重、試件內(nèi)水的質(zhì)量做為一個系統(tǒng)來考慮，如圖2。

圖2　隔水管疲勞試件系統(tǒng)三維模型

1)部件連接關(guān)系處理。試驗(yàn)過程中，激振端夾具、配重塊用螺栓與試件連接成一體，在分析中將連接面處理為完全綁定接觸類型，即計(jì)算過程中連接接觸的兩個物件不發(fā)生相對滑移。

2)內(nèi)壓及軸向張力的處理。自由模態(tài)計(jì)算中，外載荷對試件的固有頻率沒有影響，在此不予考慮。

3)內(nèi)腔試壓水的處理。試件內(nèi)腔充滿水，水的質(zhì)量對整個系統(tǒng)的固有頻率有很大影響。本文通過將水的質(zhì)量等效附加在試件上予以考慮。

整個疲勞試件整體模型采用四面體網(wǎng)格劃分，單元數(shù)902 867，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 453 325，網(wǎng)格模型如圖3。

圖3　隔水管疲勞試件系統(tǒng)網(wǎng)格模型

2.2模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過模態(tài)有限元計(jì)算得出該鉆井隔水管疲勞試件系統(tǒng)的前12階固有頻率及振型，因求解的是自由模態(tài)，前6階為其平動和轉(zhuǎn)動的剛體運(yùn)動，不予考慮，第7～12階振型如圖4。

其中，第9階至第12階為疲勞試件系統(tǒng)的2次彎曲振動模態(tài)和復(fù)雜振動模態(tài)，相應(yīng)的固有頻率太高，達(dá)到70 Hz以上，不適合在海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。第7階和第8階為隔水管疲勞試件系統(tǒng)的1次彎曲模態(tài)，是本疲勞試驗(yàn)中試件的目標(biāo)振型，對應(yīng)固有頻率為24.035 Hz，在試驗(yàn)的目標(biāo)固有頻率范圍內(nèi)，這說明初設(shè)的疲勞試件結(jié)構(gòu)尺寸滿足試驗(yàn)要求。

a)　7階

b)　8階

c)　9階

d)　10階

e)　11階

f)　12階

1次彎曲振型下試件的應(yīng)力分布形式如圖5，由于求解的是自由模態(tài)，未施加激振載荷，結(jié)果中的應(yīng)力值大小不是真實(shí)值，但其應(yīng)力分布形式是真實(shí)的。試件應(yīng)力以中間橫截面為對稱面對稱分布，中間彎曲應(yīng)力最大，向兩端逐漸減小。由此可知，當(dāng)試件疲勞性能最薄弱部位在中間位置時，就可以在很小的激振載荷下得到最大的交變彎曲應(yīng)力，這樣可在提高全尺寸疲勞試驗(yàn)效率的同時最大限度減小對試驗(yàn)裝置的損傷。

a)　Mises等效應(yīng)力分布

b)　軸向應(yīng)力分布

2.3試件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深水鉆井隔水管疲勞性能最薄弱的環(huán)節(jié)是管體上的對接環(huán)焊縫，為了增加疲勞試驗(yàn)樣本數(shù)，1根試件上設(shè)計(jì)兩條同樣的焊縫，以中間截面對稱布置，再綜合考慮試件施加內(nèi)水壓的要求，設(shè)計(jì)試件結(jié)構(gòu)如圖6，試件上總共布置12個應(yīng)變片，4個一組，同一組中應(yīng)變片環(huán)向間隔90°均布，用于監(jiān)測和記錄試件上的實(shí)時交變應(yīng)力加載情況。

由于鉆井隔水管一般存在2種對接環(huán)縫，即flange-pipe環(huán)縫和pipe-pipe環(huán)縫，由于法蘭材料和管體材料不同，焊接工藝有差異，其疲勞性能也存在差別，為了模擬2種焊縫，在此設(shè)計(jì)了2個試件，試件1中間段為法蘭材料X80J鍛件，兩端為管體材料X80，試件2三段均為管體材料X80。

2.4試件支撐跨距確定

由于本試驗(yàn)是以共振原理為基礎(chǔ)，試驗(yàn)過程中持續(xù)高頻的振動載荷對疲勞試驗(yàn)裝置的損傷也非常大，為了進(jìn)一步減輕對試驗(yàn)裝置的損傷，延長試件支撐系統(tǒng)的壽命，必須合理設(shè)置試件的支撐位置。

圖6　鉆井隔水管全尺寸疲勞試件示意

從試件1次彎曲振動的位移分布圖(圖4)可以看出，當(dāng)試件發(fā)生1次彎曲振動時，試件上總存在2個零位移點(diǎn)，這2個點(diǎn)的位移僅由于疲勞試件的直徑尺寸而發(fā)生微小的變化，并且這2個點(diǎn)的軸向位置也不隨振動時間的推移而變化，如果把試件的支撐點(diǎn)置于其2個零位移點(diǎn)，則試件的振動能量僅會有很少一部分傳遞給試驗(yàn)裝置支撐系統(tǒng)，也就大幅減小了試驗(yàn)裝置所承受的動載荷，延長了支撐緩沖裝置的壽命。這2個零位移點(diǎn)以試件中截面對稱，相距約5 800 mm，由此確定深水隔水管全尺寸疲勞試件的支撐跨距為5 800 mm。

3　試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)參數(shù)

參與試驗(yàn)的E級深水鉆井隔水管試件直徑?533.4 mm，壁厚15.88 mm，加載內(nèi)壓14 MPa，加載的交變應(yīng)力幅為140 MPa，由內(nèi)水壓和交變應(yīng)力載荷可以得到疲勞試件中截面外圓任一點(diǎn)的理論應(yīng)力加載曲線(計(jì)算值)，對應(yīng)試件中間截面外圓的4個應(yīng)變片位置點(diǎn)(如圖6)，其加載應(yīng)力值如圖7所示。

3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

對2根試件，共4條焊縫進(jìn)行了全尺寸疲勞試驗(yàn)，試件內(nèi)靜水壓實(shí)際加載至13.8 MPa，并在整個試驗(yàn)過程中處于保壓狀態(tài)，加載歷程如圖8。

圖7　疲勞試件中截面理論加載應(yīng)力曲線

交變應(yīng)力的實(shí)際加載歷程曲線如圖9，為標(biāo)準(zhǔn)的正余弦曲線，包含12個應(yīng)變片的實(shí)時監(jiān)測值，單位為微應(yīng)變，第1、5、9號應(yīng)變值在同一相位，第2、6、10號應(yīng)變值在同一相位，比1、5、9號的應(yīng)變值在時域上相差π/2相位，同樣，第3、7、11號比第2、6、10號應(yīng)變值又差π/2相位，第4、8、12號應(yīng)變值比第3、7、11號差π/2相位，這符合共振式彎曲變形下，圖6貼片方式得到的時域圖。測得的實(shí)際加載歷程和圖7中的理論加載曲線基本一致，只是在實(shí)際試驗(yàn)中，水壓加載至13.8 MPa保壓之后，對所有12個通道的應(yīng)變都進(jìn)行了調(diào)零，因此圖中的應(yīng)變基線為0。實(shí)際加載的交變應(yīng)力頻率為22.8516 Hz，頻率接近試件的1次彎曲固有頻率24.035 Hz。幅頻曲線如圖10。試驗(yàn)中加載頻率越接近試件固有頻率，振動就越激烈，彎曲應(yīng)力幅值就越大，當(dāng)應(yīng)力幅值達(dá)到試驗(yàn)要求時，就沒有必要再提高加載頻率。

圖8　試件內(nèi)水壓加載歷程

圖10　試件加載頻率及應(yīng)變幅值

第1根疲勞試件在加載循環(huán)了95萬次時，2個焊縫之間的中間段X80J鍛件發(fā)生刺漏，如圖11，但是2條焊縫均完好，無任何滲漏，這說明在交變載荷下，1號試件的2條焊縫疲勞壽命均高于95萬次。第2根試樣在加載了122萬次時，3號與7號應(yīng)變片之間的焊縫出現(xiàn)了透壁裂紋，如圖12，由此證明，2號試件的2條焊縫在前述交變載荷下，壽命均不低于122萬次。

圖11　1號疲勞試件刺漏照片

圖12　2號疲勞試件刺漏照片

根據(jù)2個疲勞試件、4條環(huán)形焊縫的全尺寸疲勞試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)挪威DNV-RP-C203[12]和英國BS7608[13]標(biāo)準(zhǔn)，對E級深水鉆井隔水管疲勞壽命進(jìn)行評估，結(jié)果如圖13。

由圖13可知，E級深水鉆井隔水管2種焊縫的全尺寸疲勞壽命均高于DNV W3類、DNV F3類和BS7608 F2類S-N目標(biāo)疲勞曲線，低于DNV C1類S-N目標(biāo)疲勞曲線，具體量化數(shù)據(jù)如表2。

圖13　E級深水鉆井隔水管全尺寸疲勞壽命評估

試樣焊縫數(shù)量累計(jì)試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)/萬次破壞位置平均應(yīng)變/μεBS760897．5%F2Curve要求目標(biāo)循環(huán)次數(shù)/萬次Testpipe001295X80J鍛件刺漏，焊縫完好698．0081．0Testpipe0022122pipe?pipe焊縫出現(xiàn)透壁裂紋687．4489．6

4　結(jié)論

1)共振式疲勞試驗(yàn)方法效率高，加載歷程為標(biāo)準(zhǔn)的正余弦曲線，且容易實(shí)現(xiàn)對大直徑管材的交變載荷施加。

2)采用共振式疲勞試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)時，應(yīng)基于模態(tài)計(jì)算合理設(shè)計(jì)疲勞試件的結(jié)構(gòu)和配重，以確保其1次彎曲固有頻率在試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)頻率范圍內(nèi)，進(jìn)而可以使相應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對試件加載不同應(yīng)力水平的交變載荷。

3)采用共振式疲勞試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)時，應(yīng)合理設(shè)計(jì)疲勞試件的支撐跨距，這樣才能在試驗(yàn)的同時最大限度減輕對設(shè)備的損傷，延長試驗(yàn)設(shè)備壽命。

4)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，2根?533.4 mm(21英寸)E級深水鉆井隔水管疲勞試件壽命超過了BS7608標(biāo)準(zhǔn)中F2類目標(biāo)壽命曲線。

5)海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)裝置不僅適用于鉆井隔水管的全尺寸疲勞試驗(yàn)，同樣也適用于采油立管、海底管道、油套管及其管螺紋接頭等其他類似產(chǎn)品的全尺寸疲勞試驗(yàn)。

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Research on Resonant Fatigue Test of Deep-water Drilling Riser

HOU Xiaodong1，2，LIU Hongliang1，2，LEI Guangjin1，2，CHEN Ye1，LI Chen1，WANG Wenjun1

(1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721001，China；2.National Oil & Gas Drilling EquipmentEngineeringTechnologyResearchCenter，Baoji，721001，China)

Taking full-size bending fatigue test of deep-water drilling riser as an opportunity，the practical application of resonance fatigue test method is researched.Based on resonance fatigue test method，the systematic study is developed on designing of fatigue samples，testing process and results analysis.By using finite element modal analysis，Actual test results proved that the structure designing of full-size fatigue samples with modal analysis is correct.At the same time，through the comparison between theoretical load curve and measured load curve，it is demonstrated the accuracy of loading alternating stress with resonant bending fatigue testing method.The successful development of this test provide a reference on further engineering application of the resonant method and corresponding test equipment in full-size fatigue test field of domestic large diameter pipe.

fatigue test；resonance；riser；modal analysis

1001-3482(2016)10-0037-07

2016-04-21

國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程化研制”(2013AA09A222)；工信部海洋工程裝備科研項(xiàng)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”

侯曉東(1984-)，男，陜西寶雞人，工程師，碩士研究生，現(xiàn)從事海洋石油鉆采設(shè)備研究、試驗(yàn)裝備設(shè)計(jì)及有限元仿真工作，E-mail：houxiaodong0928@163.com。

TE951

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.009