海洋立管全尺寸疲劳试验方法研究及标准化应用*
王耀锋， 白 丽， 侯晓东， 姚美丽， 党 恩，刘宏亮， 雷广进， 孙传轩， 王紫怡
（1. 中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司， 陕西 宝鸡 721002；
2. 宝鸡石油机械有限责任公司， 陕西 宝鸡 721002；
3. 陕西法士特集团公司， 陕西 宝鸡 721300）
海洋立管在风、 浪、 流、 顶张力等交变载荷长期作用下， 焊缝及管体会产生疲劳裂纹， 导致疲劳失效， 从而发生重大安全事故。
目前海洋立管的疲劳试验得到了业界的广泛关注， 并且已有大量的相关研究[1-8]。
刘秀全等[9]介绍了海洋立管的各种疲劳试验方法， 认为共振弯曲疲劳试验方法将成为立管全尺寸试验的标准方法；
侯晓东等[10-11]基于共振式疲劳试验方法进行了疲劳试件设计、加载参数确定、 试验过程及结果分析；
王耀锋等[12]对疲劳试验力学模型进行理论研究， 结果表明，疲劳理论计算值与有限元分析结果、 试验检测值基本一致。
宝鸡石油机械有限责任公司先后承担了国家863 计划项目“深水钻井隔水管系统技术研究”（2008AA09A106）、“深水钻井隔水管系统工程化研制” （2013AA09A222） 和工信部科研项目“海洋钻井平台用深海隔水管系统研究及关键部件研制” （装［2014］162）等国家重大科技攻关项目，制订GB/T 33508—2017 《立管疲劳推荐作法》 和SY/T 7605—2020 《海洋立管全尺寸疲劳试验方法》 2 项海洋立管疲劳试验的相关标准。
依据该技术和标准， 完成了海洋立管全尺寸疲劳试验20多个， 验证和评价了立管系统的疲劳设计及焊接工艺。
针对海洋立管全尺寸疲劳试验技术难题，提出了有效的定量评价方法及标准， 该方法和标准可拓展到其他行业， 进一步提升不同规格管材的疲劳性能。
1.1 力学模型
疲劳试验的力学模型如图1 所示， 假设立管的各截面中心主惯性轴在同一平面xou 内，外载荷也作用在该平面内， 立管在该平面内作横向振动， 可以忽略剪切变形以及截面绕中性轴转动惯量的影响， 该力学模型可简化为欧拉-伯努利梁[13]。
图1 疲劳试验力学模型
1.2 微分方程
平衡方程[14]如下：
式中：
u (x, t) ——距原点x 处的截面在时刻t的横向位移， m；
m （x,t） ——单位长度上的外力矩， N·m；
p （x, t） ——单位长度上的外力， N；
ρ——单位体积梁的质量， kg；
A——梁横截面面积， m2；
E——材料弹性模量， MPa；
I——截面对中性轴惯性矩， m4。
通过求解可得到梁的主振动方程为
其中， C1， C2， C3， C4， b， β 均为常数。
1.3 边界条件
以左端配重块为研究对象， 可得
式中：
ml——左端配重块， kg；
sl——左端配重块中心到管端的距离， m；
Jl——左端配重块质量惯性矩， kg·m2。
1.4 应力幅求解
激振力为
式中：
re——偏心距， m；
me——偏心激振质量， kg；
ωe——旋转激励角速度， r/s。
试验设置了两个支撑部分， 采用分离变量法可以得到
式中：
K——刚度矩阵， N/m；
δ——位移， m；
t——时间， s；
W——质量矩阵， kg；
F ——力矩阵， N。
在激振力作用下， 海洋立管中部应力幅度为
由上式可知， 共振弯曲试验时最大应力幅度可达982 MPa， 大于隔水管主管的屈服应力， 满足标准规定的疲劳试验条件。
2.1 总体布局
海洋立管共振弯曲疲劳试验装置主要由机械激振装置、 支撑装置、 加压系统、 数据采集系统和处理软件、 电控系统等组成。
为了保障试验过程安全， 试验装置主体安装在地坑中， 在监测控制室集中控制监测试验过程。
2.2 总体方案
本装置通过加压系统为立管试件提供预张力，用以模拟立管工作压力或轴向张紧力， 机械激振系统是该装置核心部件， 用于对立管试件进行交变弯曲载荷的加载， 控制系统通过变频器对激振力大小进行调节， 进而调整立管试件的交变应力幅值。
当试件所承受的交变弯曲载荷幅值达到要求并持续稳定时， 动态数据采集系统开始记录并输出立管的应变、 循环次数等试验数据。
2.3 试件管材
疲劳试验试件采用高尺寸精度海洋立管用X80 钢管[14]。
国产化X80 钢级Φ533.4 mm立管用直缝埋弧焊管主要技术指标参考了API SPEC 5L 标准， 在此基础之上对屈强比、 伸长率及硬度等指标提出了更高的要求， 在管径、 壁厚、 椭圆度、 直线度等外观几何尺寸方面， 指标控制得更加严格。
3.1 概 述
在理论分析基础上， 开发了海洋立管疲劳试验用X80 钢管， 搭建全尺寸疲劳试验平台， 进行海洋立管全尺寸疲劳试验， 为SY/T 7605 标准的制订积累技术经验。
该标准对海洋立管全尺寸疲劳试验的试验方法、 试验装置、 试样设计与制备、 试验程序、 试验结果处理等方面提出了具体技术要求[15]， 被广泛应用于海洋钻井隔水管、 采油立管、 隔水导管等海洋立管类产品的全尺寸疲劳试验。
3.2 试验装置设计
3.2.1 激振系统
激振力的频率和大小应能根据加载应力范围的需要进行无级调节， 激振频率应保持在10～30 Hz， 最大激振力≥40 000 N， 同时应保证可以激发产生共振弯曲， 使试样所关注横截面上的应力按正弦规律周期性变化。
3.2.2 数据采集存储系统
应能采集和记录动态应变、 载荷循环次数和加载频率。
应变采集设备至少有6 个应变数据采集通道， 误差≤1%。
应变采集设备的采样频率≥加载频率的20 倍。
数据采集软件界面应能实时采集和显示应变数据时域信号、 幅频信号；
数据采集软件应能对采集到的应变数据进行内部处理， 以得到每个加载周期内的应变最大值、 应变最小值， 并能计算应变范围、 加载频率、 载荷循环次数；
数据采集软件应能按照一定时间间隔输出该段时间内各通道的应变范围平均值及其标准差、 载荷循环次数、 加载频率等数据， 输出时间间隔≤5 min。
3.2.3 支撑装置
应采用跨距可调节的两点支撑结构， 支撑方式不应限制试样的振动形态， 支撑装置宜为弹性支撑结构。
3.2.4 加压系统
应能为试样加载内压， 以提供试样的轴向张力或内压环境工况；
应能连续采集和监测试样内腔压力数据。
3.2.5 控制系统
应能实现无级调速， 宜采用变频控制；
应具备激振系统紧急停机功能；
应具备加压系统快速泄压功能。
3.3 试样设计与制备
3.3.1 试样设计
应根据试验目的设计不同试样， 试样一般有全直管、 环焊缝连接、 螺纹连接、 法兰连接等形式。
试样设计时， 环形焊缝、 螺纹连接、法兰连接等关键检测位置应设计在中间部位，试样的关键特征尺寸应为全尺寸。
需加载内压时， 应在试样两端设计封头， 封头设计[16]应符合GB/T 150.3 标准。
试样长度应根据模态计算结果及试验装置参数进行设计， 同时要结合连接工装、 试样内腔介质等对试样固有频率的影响，以确保试样的一次弯曲振动固有频率在试验装置加载频率范围内， 并且应小于30 Hz。
将一次弯曲共振形态时中心轴振幅为0 的位置定为试样支撑点， 疲劳试样一次弯曲振型如图2 所示。
图2 疲劳试样一次弯曲振型
3.3.2 试样制备
试样的材料及成型方法、 接头连接形式、 焊缝形式、 焊接工艺等应和产品一致。
3.4 试验载荷
3.4.1 载荷类型
试验时， 试样承载的交变弯曲应力σ 随时间t 呈正弦规律周期性变化， 且平均应力σm＞0，应力比r＞0。
3.4.2 载荷大小
试验应力范围由委托方确定， 应保持试样最大应力σmax≤材料屈服强度的2/3。
试验加载应力范围偏差不宜超过要求加载应力范围的±15%。
在试验结果数据处理时， 应按照实际加载的应力范围进行疲劳寿命评估。
试验时， 试样内腔可充液加压， 压力大小与产品额定压力相同。
3.5 试验准备
3.5.1 测量计算SCF
试验前， 应按照SY/T 10049[17]规定确定试样的应力集中系数SCF。
3.5.2 密封性能测试
试样内腔有充液要求时， 应先进行密封性能测试， 测试压力为产品额定压力。
测试时逐级加压， 当压力达到额定压力后进行保压， 加压级数≥3 级， 保压时间≥15 min。
保压期间试样应无可见渗漏， 压降应小于额定压力的5%。
3.5.3 应变测试要求
应变片类型应满足动态应变测试要求， 其中， 应变片布置位置应避开应力集中区域， 应变片与应力集中截面距离≥6 倍壁厚。
应变片沿管体环向均匀分布， 每个横截面应变片不少于3 个。
3.6 试验过程
3.6.1 共振调试
在调试时， 试样内腔的压力≤0.5 MPa。数据采集系统初始化， 各通道应变调零， 同时缓慢增加激振系统电机转速， 提高激振频率，使得试样振动频率逐步接近试样一次弯曲固有频率， 观察数据曲线， 各通道应变数值是否达到试验要求的应变范围。
若振动频率已经达到或超过了试样的一次弯曲固有频率而应变范围却未达到要求， 应临时停机， 调节激振系统激振力。
重复进行上述程序， 直至测得的试样应变范围满足试验要求、 各通道应变曲线呈现稳定的正弦规律周期性变化为止， 记录此时的应变变化频率 （即试样加载频率）。
试样应变范围达到加载要求并稳定后， 数据采集系统开始输出保存加载频率、 应变范围和载荷循环次数， 数据采集输出5～15 min 后， 停止调试， 检查确认输出保存的各数据应处于正常状态。
3.6.2 疲劳试验
共振调试完成后方可进行疲劳试验， 试验可分段进行。
疲劳试验现场工况如图3 所示， 试验前， 开启数据采集系统， 将各应变通道数据清零。试样内腔有充液要求时， 开启加压控制系统， 加载到试验压力后持续保压。
再次将各应变通道数据清零， 开启变频器， 逐渐调大电机转速， 直至达到共振调试所确定的试样加载频率。
图3 疲劳试验现场工况
如果试验中断继续试验时， 应再次按照上述步骤执行。
试样出现穿透裂纹或刺漏时， 认定试样失效。
试验过程因异常情况中断， 如果应变范围在要求范围内， 采集的加载循环次数应累计。
3.7 试验结果处理
3.7.1 目标寿命曲线
目标寿命曲线是基于数理统计学一定置信区间的计算值， 按公式（8） 计算确定。
式中：
Ntarget——所选定级别S-N 曲线的目标寿命；
n——试验样本数；
σ——lgN 的标准偏差， 针对SY/T 10049中所有级别的S-N 曲线， σ=0.2；
X——基于平均寿命的标准偏差数量， 当基于标准正态分布下97.5%存活率时X=1.96；
当基于标准正态分布下95%存活率时X=1.645。
3.7.2 疲劳寿命等级判定
若参与评估的所有海洋立管有效试样的疲劳试验循环次数高于对应级别的目标寿命， 则可以判定该海洋立管的疲劳寿命满足该级别的要求。
图4 是海洋立管疲劳寿命评估图示例， 图4中F3 类、 C1 类、 W3 类3 条曲线均是在试验样本数n=2 时， 通过公式（8） 计算得出的目标寿命曲线。
图4 中显示试样1 和试样2 所代表的海洋立管疲劳寿命高于SY/T 10049 中的W3 类、 F3 类目标疲劳寿命曲线， 低于SY/T 10049 中的C1 类目标疲劳寿命曲线， 因此， 该海洋立管疲劳寿命满足SY/T 10049 中F3 类级别。
图4 海洋立管疲劳寿命评估示例
共振弯曲疲劳试验方法的激励载荷频率接近试件的固有频率， 会导致试件发生共振， 共振过程中试件截面出现交变应力， 从而产生疲劳损伤。
由于共振弯曲疲劳试验频率较高， 为20～30 Hz， 且1 天大约可以实现200 万次循环试验， 相比其他疲劳试验方法， 此方法可节省试验时间。
基于海洋立管全尺寸疲劳试验方法和标准建立的共振弯曲疲劳试验台可满足大直径管材类、 套管类、 油管类产品的全尺寸疲劳寿命测试， 现已在海洋石油钻采设备领域得到广泛应用。
通过对立管产品进行全尺寸疲劳试验， 验证和评价了立管系统的疲劳设计及焊接工艺的正确性， 同时也保证了海洋立管的疲劳性能，加速了海洋立管产品的国产化应用， 具有良好的经济效益。
（1） 通过将海洋立管全尺寸疲劳试验方法标准化， 制订了GB/T 33508—2017 《立管疲劳推荐作法》 和SY/T 7605—2020 《海洋立管全尺寸疲劳试验方法》 等2 项疲劳试验标准， 从而规范了海洋立管全尺寸疲劳试验装置、 试样设计与制备、 试验程序、 试验结果处理和试验报告等方面。
（2） 通过研究海洋立管全尺寸共振弯曲疲劳试验方法， 搭建立管疲劳试样专用试验平台，提高了海洋立管疲劳试验效率， 保证了产品的疲劳寿命。
（3） 标准中提出的试验方法和统一的疲劳寿命等级判定方法， 有助于评估产品疲劳寿命，提升海洋立管产品质量， 展示出良好的经济效益。
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