海洋鉆井隔水管疲勞試驗設計及評價標準

劉宏亮，侯曉東，雷廣進

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002)

海洋油氣資源的開發(fā)給石油鉆井裝備制造業(yè)帶來了發(fā)展機遇，也帶來技術上的挑戰(zhàn)。海洋鉆井隔水管作為海洋深水油氣勘探開發(fā)的一個重要裝備單元，是連接海底井口與鉆井船的重要部件，其主要功能是提供井口防噴器與鉆井船之間鉆井液往返的通道，支撐輔助管線，引導鉆具，下放與撤回井口防噴器組。鉆井隔水管是整個海洋鉆井裝備中重要而又薄弱的環(huán)節(jié)，一旦失效，危害重大[1-2]。焊縫疲勞開裂是常見的失效形式，海洋鉆井隔水管全尺寸疲勞試驗是驗證和檢驗其疲勞性能的唯一方式，因而海洋鉆井隔水管疲勞試驗具有重要意義。寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械公司)自2007年率先在國內開展海洋鉆井隔水管和系統(tǒng)研發(fā)，通過承擔國家863計劃項目“深水鉆井隔水管系統(tǒng)技術研究”(2008AA09A106)、“深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程化研制”(2013AA09A222)、工信部科研項目“海洋鉆井平臺用深海隔水管系統(tǒng)研究及關鍵部件研制”(裝[2014]162)，在海洋鉆井隔水管和系統(tǒng)研發(fā)及制造工藝、工藝裝備技術研究、試驗方法及試驗裝備研究等方面取得實質性進展，是國內唯一獲得API SPEC 16F證書的企業(yè)。2015年以來，寶石機械公司已完成勘探3號平臺[3]、南海8號平臺、南海6號平臺、勘探4號平臺及亞馬遜平臺等的海洋鉆井隔水管單根和伸縮節(jié)的大修及更新，為我國海洋油氣資源的勘探開發(fā)做出了貢獻。

1 試驗方法

1.1 API SPEC 16R試驗要求

海洋鉆井隔水管的核心制造和試驗技術被西方少數國家壟斷。API SPEC 16R[4]《Specification for Marine Drilling Riser Couplings》在附錄B(規(guī)范性附錄)可供選擇的鑒定試驗，B.1循環(huán)載荷試驗一節(jié)，寥寥數十字，僅提出“為了模擬在使用中的載荷波動，可以施加張力和循環(huán)彎曲載荷(以及內壓)，代表選擇的載荷條件。可以進行持續(xù)的試驗，與預測的疲勞壽命作比較”，出于核心技術保密而過于簡化，無實際可操作性和指導性。

1.2 疲勞試驗方法簡介

國外對海洋深水鉆井隔水管的疲勞性能研究、疲勞試驗方法研究較早，且做了大量相關實踐研究[5-9]。由于國內海洋鉆井隔水管研究起步較晚，隔水管疲勞試驗研究較少。劉全秀[10]對海洋油氣立管疲勞試驗方法進行了闡述。隔水管疲勞試驗方法分為軸向拉伸疲勞試驗法和彎曲疲勞試驗法。軸向拉伸疲勞試驗法主要用于立管材料小尺寸試樣疲勞試驗，驗證材料疲勞性能。彎曲試驗法主要包括四點彎曲疲勞試驗法、旋轉彎曲疲勞試驗法和共振彎曲疲勞試驗法，主要用于全尺寸立管的結構疲勞試驗，因而更具有實踐意義。四點彎曲疲勞試驗法也常用于立管材料小尺寸試樣疲勞試驗[11]，用于立管全尺寸試樣疲勞試驗效率較低[7]。中石油集團工程技術研究院海洋工程重點試驗室擁有一臺全尺寸四點彎曲疲勞試驗機，采用液缸作動器加載，加載頻率0.01～5 Hz，對于1個樣品需進行上百萬次甚至千萬次的疲勞試驗而言，試驗周期由幾天到數月不等，試驗時間太長。另外，采用四點彎曲疲勞試驗法，在試驗時試件不動，加載一般在上下方向，最大周期應力循環(huán)點處于立管截面12點和6點位置，因而試驗失效部位不一定是樣品最薄弱部位，造成試驗結果偏于樂觀。中石油集團石油管工程技術研究院建造了旋轉彎曲疲勞試驗裝置，通過施加彎曲載荷及扭轉載荷，一般用于模擬鉆桿或套管鉆進過程，檢測、評價油井管的旋轉、彎曲抗疲勞破壞性能。在一端旋轉彎曲試驗機，試樣必須傳送轉矩以克服軸承中的摩擦力，因而試樣中的應力并不是純單向的，導致試驗結果偏于保守[12]。試驗頻率通常在15～120 Hz(對應的轉速為900～7 200 r/min)，試驗過程中應避免試樣振動。海洋鉆井隔水管主管體一般為直縫埋弧焊管，由于管體存在橢圓度和焊縫余高，旋轉振動較大，不適宜采用旋轉彎曲疲勞試驗方法。目前，美國、英國、挪威等國外科研機構普遍采用共振彎曲疲勞試驗法，該方法具有加載頻率快，節(jié)省試驗時間，試驗截面任意方位點都經歷最大周期應力循環(huán)，試驗結果相對準確，因而，共振彎曲疲勞試驗法已成為標準的立管全尺寸疲勞試驗方法。2014年，國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心試驗室研制成功國內首臺海洋立管全尺寸共振彎曲疲勞試驗裝置[13]，為開展海洋立管全尺寸疲勞試驗研究奠定了基礎，依托該試驗裝置已取得一些研究成果。侯曉東[14]對共振式疲勞試驗方法的實際應用進行了探索，闡述了共振式疲勞試驗方法在具體產品試驗中的應用。王耀鋒[15]研究與試驗結果表明，海洋立管疲勞理論計算值、有限元解和試驗檢測值基本一致。

2 疲勞設計和評價標準

目前，海洋鉆井隔水管的疲勞設計和評估還沒有專用標準，在用的國內外標準有BS 7608[16]、DNVGL-RP-C203[17]、DNVGL-RP-F204[18]、SY/T 10049[19]和GB/T 33508[20]。由于SY/T 10049是等同采用DNV RP-C203的2001版，GB/T 33508等同采用DNVGL-RP-F204的2010版，DNVGL-RP-F204注重理論公式分析，實際應用較少，所以，BS 7608和DNV-RP-C203是國內外試驗專業(yè)機構用于海洋鉆井隔水管疲勞設計和評估的2個主要標準。這2個標準均根據產品結構型式、材料類型、焊縫型式、焊接要求、特殊處理要求對焊縫節(jié)點細節(jié)進行了分類，并提供了相對應的S-N設計曲線，可以作為海洋鉆井隔水管疲勞壽命設計選擇和評價的依據。

3 S-N曲線選取

3.1 焊縫細節(jié)分類

海洋鉆井隔水管主管體一般使用直縫埋弧焊鋼管，鋼管縱縫采用雙面自動焊，經多種NDT方法嚴格檢測，因而鋼管自身縱縫S-N疲勞曲線高于隔水管環(huán)焊縫。本文不討論隔水管鋼管自身縱焊縫，僅涉及隔水管制造過程的對接環(huán)焊縫。海洋鉆井隔水管產品結構型式和主管體常用的管徑規(guī)格為?533.4 mm，決定了主管體管-管和管-接頭環(huán)焊縫一般只能采用單面焊雙面成型焊接工藝。主管體具有2條管-法蘭環(huán)焊縫，至少1條管-管環(huán)焊縫，由于隔水管主管體管-管對接環(huán)焊縫距離兩端接頭端口較遠，管體內部焊根不易采取特殊處理措施以改善立管疲勞壽命，考慮立管疲勞曲線一致性，所以管-管對接采用的環(huán)焊縫細節(jié)分類對應的S-N曲線就是隔水管疲勞的S-N曲線。BS 7608和DNV-RP-C203標準中鋼管橫向對接焊縫細節(jié)分類和對應S-N曲線如表1。從表1可以看出，這2個標準均根據焊接工藝和制造要求對鋼管橫向對接焊縫節(jié)點進行了詳細分類，形成從高到低不同類別。這2個標準中，節(jié)點制造要求不完全相同，即使要求相近，分類代號也不同，每個類別的節(jié)點都有其對應的S-N曲線。由于隔水管主管體管徑規(guī)格和結構尺寸特殊性，可選擇的焊接工藝和改進措施相對有限，所以并不是鋼管橫向對接焊縫每個細節(jié)分類都一定適用于隔水管，BS 7608標準 F2曲線和DNV-RP-C203標準F3曲線是隔水管常選取的焊縫細節(jié)分類和隔水管S-N曲線。BS 7608和DNV-RP-C203標準不同類別節(jié)點的S-N曲線如圖1和圖2。通過對比可以看出，BS 7608標準中C、F2曲線分別高于DNV-RP-C203標準中C1和F3曲線。

表1 BS 7608和DNV-RP-C203標準中鋼管橫向對接環(huán)焊縫細節(jié)分類和對應S-N曲線

圖1 BS 7608設計S-N曲線

圖2 DNV-RP-C203設計S-N曲線

3.2 幾種S-N曲線

疲勞設計是通過疲勞試驗得出的S-N曲線來進行。在恒幅載荷作用下，通過疲勞試驗得出的所施加應力范圍S與達到疲勞的循環(huán)次數N之間的關系如式(1)所示[16-17]：

lgN=lgC0-2σ-mlgS

(1)

式中：C0為與平均曲線S-N相關的常數；σ為N的對數下的標準偏差；m為雙對數下的S-N曲線的反向斜率。

式(1)也可表達成循環(huán)次數N與各變量之間的關系式：

Ndesign=(10lgC0-2σ)S-m=(10lgC0)(10-2σ)S-m

(2)

式(2)所形成的曲線被定義為設計曲線，設計曲線是根據相關試驗數據的平均值減2倍標準差繪制的曲線，因此設計曲線就具有97.6%的生存概率[17]，在BS 7608和DNV-RP-C203標準中能夠直接查詢到相關設計曲線。

平均曲線是比設計曲線高2個標準偏差的曲線[16-17]，即：

Nmean=(10lgC0)S-m

(3)

目標曲線是基于數理統(tǒng)計學一定置信區(qū)間的計算值，目標曲線在平均曲線之上，目標曲線的表達式如式(4)所示。

Ntarget=(10lgC0+yσ)S-m=

(10lgC0)(10yσ)S-m=Nmean(10yσ)

(4)

式中：y是在平均曲線上方的標準偏差數。

基于統(tǒng)計學結論，當97.5%置信區(qū)間時，y取值1.96，95%置信區(qū)間時，y取值1.645。

(5)

式中：Ntarget為目標循環(huán)次數，Nmean為基于應力范圍和平均疲勞曲線的壽命次數，n為樣品數量。

鉆井隔水管疲勞壽命評價就是將疲勞試驗結果得到的數據與目標曲線對比，實際試驗結果大于目標曲線計算結果，則判定疲勞性能為合格。

4 試件設計

4.1 試件固有頻率及振型設計

共振彎曲疲勞試驗樣件設計首先要確定試件的結構尺寸。在設計立管疲勞試件時，應綜合對試件、靜載室和動載室進行模態(tài)分析，利用有限元模態(tài)分析方法試算和設計隔水管疲勞試件的固有頻率及振型，使試件純彎曲模態(tài)下的彎曲共振固有頻率在試驗裝置加載頻率可達到的范圍內[14]。由于加載頻率和疲勞試驗效率成正比，為了提高試驗效率，試件純彎曲模態(tài)固有頻率不能太低，確保立管試件一階固有頻率在合理范圍內(一般為15～30 Hz)。

4.2 試件結構設計

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，為了增加環(huán)焊縫疲勞試驗樣本數，一般在試件中間增加1個短節(jié)，使1根試件上具有兩條同樣的焊縫，以中截面對稱布置。短節(jié)材料可以和管體或隔水管法蘭接頭同材質，以模擬鉆井隔水管管-管或管-法蘭兩種不同材質類型的對接環(huán)焊縫。在1根試件上增加2～3個短節(jié)，焊縫樣本數可以達到3～4，但增加了試件制造難度?？紤]試件內部加水壓要求，兩端焊接盲板和進水封板，鉆井隔水管全尺寸疲勞試驗設計試件結構如圖3，試件上總共布置12個應變片，同一截面4個1組，應變片環(huán)向間隔90°均布，應變計用于監(jiān)測和記錄試件上的實時交變應力值。

5 試驗樣本數的選取

隔水管疲勞試驗焊縫樣本數的選取要合理分析后確定。增加疲勞試驗試件數量或焊縫的試驗樣本數，依據目標曲線計算的試驗目標循環(huán)次數可有效降低，有利于隔水管疲勞性能試驗結果順利通過。

以BS 7608標準D曲線為例，σ=0.2095，lgC0=12.600 7[16]于是：

Nmean=(10lgC0)S-m=

(1012.600 7)S-m=3.988×1012(S-m)

(6)

(7)

根據式(7)計算，當試驗樣本數為2、3、4、5、6時，計算的目標循環(huán)次數比試驗樣本數為1時分別下降20.73%、28.49%、32.75%、35.50%、37.47%。但是，增加疲勞試驗試件數量和試驗樣本數，會增加試件制造成本和試驗費用。一般試件或焊縫試驗樣本數3～4比較經濟，再增加試件或焊縫試驗樣本數，試驗目標循環(huán)次數降低緩慢有限。試件數量取決于每個試件具有的焊縫試驗樣本數，如果一個試件具有3～4條試驗焊縫，1個試件也可以滿足試驗需要。在1個試件上制造2個以上焊縫樣本數，會大幅增加試件制造費用，也增大了疲勞試驗過程失效的幾率，試驗過程中只要1條焊縫失效，試驗就得停止，其它未失效焊縫樣本也得不到最終試驗結果。

6 改善疲勞壽命的措施

6.1 提高焊縫組對精度

海洋鉆井隔水管主管體一般使用直縫埋弧焊鋼管，該類鋼管采用JCOE或UOE成型工藝，即使經通徑處理，圓度普遍存在1～3 mm的誤差，內徑也存在0.5～1.5 mm的誤差，這給隔水管環(huán)焊縫組對帶來困難。由于隔水管環(huán)焊縫一般采用內對口單面焊雙面成型工藝，組對質量非常關鍵。改善焊縫疲勞壽命，必須提高焊縫組對精度，嚴格控制內錯邊量在0.2 mm以內。為提高組對精度，管體加工坡口時管端內鏜基準，保證管體組對內徑和鈍邊厚度一致，內鏜基準時嚴格控制管體有效壁厚，避免壁厚減薄過多而引起應力增大。

6.2 提高打底焊縫質量

隔水管環(huán)焊縫失效常起源于環(huán)焊縫內部焊根處的疲勞裂紋[21]。隔水管環(huán)焊縫一般采用單面焊雙面成型工藝，打底焊縫是關鍵，背面成型的好壞決定了整條焊縫的質量。通過焊后嚴格的NDT檢測，發(fā)現和消除焊接缺陷，鏟除疲勞產生的源頭，是提高焊縫疲勞壽命的有效措施之一。

6.3 改善焊縫力學性能

改善焊縫力學性能，特別是焊縫斷裂韌性，可以有效減緩裂紋擴展速度，延長焊縫疲勞壽命。焊接工藝評定在滿足強度、塑性、沖擊功、硬度等常規(guī)力學性能外，建議增加焊縫CTOD(Crack-tip Opening Displacement)試驗[22]，保證裂紋尖端臨界張開位移δC值不小于0.254 mm。國內在隔水管研制階段已經對此進行了試驗研究[23-24]。

6.4 消除內外焊縫余高

通過焊縫外觀處理，機加工或打磨去除內外焊縫余高和咬邊，使焊縫與管體母材平齊，能有效降低應力集中系數，改善環(huán)焊縫疲勞壽命。打磨是一種制造后提高疲勞壽命的有效方法，打磨還可以提高制造后及使用過程中NDT檢測的可靠度。

6.5 焊趾表面TIG重熔

通過焊趾表面TIG重熔，可改善焊縫外觀成型，消除咬邊，使焊縫和母材圓滑過渡，降低應力集中系數，改善環(huán)焊縫疲勞壽命。由于隔水管環(huán)焊縫的焊根處開始的疲勞裂紋是最可能發(fā)生的失效模式[24]，所以單純改善焊趾的措施效果并不明顯。

6.6 錘擊和噴丸處理

通過在焊縫表面與焊趾過渡區(qū)用小錘錘擊和小鋼丸噴丸處理，可以調節(jié)焊接殘余應力場，在應力集中處形成有利的表面壓應力，提高焊縫疲勞壽命。錘擊力度要嚴格限定，應避免過載壓縮，錘擊采用的錘尖必須足夠小，以抵達焊趾處。

7 結論

1)共振彎曲疲勞試驗法加載頻率快，試驗截面任意方位點都經歷最大周期應力循環(huán)，試驗結果相對準確可靠，已成為標準的立管全尺寸疲勞試驗方法。

2)海洋鉆井隔水管疲勞設計和評估沒有專用標準，BS 7608和DNV-RP-C203標準是海洋鉆井隔水管疲勞設計和評估的的主要標準。

3)BS 7608標準 F2曲線和DNV-RP-C203標準F3曲線是隔水管常選取的S-N目標疲勞曲線，前者高于后者。

4)共振彎曲疲勞試驗試件設計應使試件純彎曲模態(tài)下的彎曲共振固有頻率在試驗裝置加載頻率可達到的范圍內。

5)增加疲勞試驗焊縫樣本數，可有效降低目標循環(huán)次數，有利于隔水管疲勞性能試驗結果順利通過。通常，試件或焊縫試驗樣本數取3～4比較經濟。

6)改善焊縫疲勞壽命的根本措施還是要提高焊縫組對精度，提高打底焊縫質量，改善焊縫斷裂韌性。焊后可采用的3種措施也能起到改善焊縫疲勞壽命的作用，但受隔水管結構和管徑限制，實施困難。