X65钢级海洋管道全尺寸疲劳性能试验研究

胡艳华，唐德渝，方总涛，牛虎理

1.中国石油集团工程技术研究院，天津300451

2.中国石油天然气集团公司海洋工程重点试验室，天津300451

X65钢级海洋管道全尺寸疲劳性能试验研究

胡艳华1，2，唐德渝1，2，方总涛1，2，牛虎理1，2

1.中国石油集团工程技术研究院，天津300451

2.中国石油天然气集团公司海洋工程重点试验室，天津300451

文章针对X65钢级海洋管道，综合考虑焊接残余应力、应力集中、焊接初始缺陷、管道停输及内部介质压力波动等多因素影响，在国内首次开展了管道四点弯曲+内压联合的全尺寸疲劳试验研究。通过管道全尺寸疲劳性能试验，得到不同规格管道在不同应力幅下的疲劳循环次数，而后依据国际通用的标准规范BS 7608与DNVC203对全尺寸疲劳试验结果进行了量化的评定分析。该研究不仅有利于积累海洋管道全尺寸疲劳性能试验数据，且可为评价海洋管道后续的全尺寸疲劳试验寿命及服役期间的安全运行周期提供定量依据。

海洋管道；焊接接头；全尺寸疲劳试验；疲劳性能

0 引言

以往，国内管道疲劳试验方法一般采用小尺寸疲劳试验分析方法。该方法在试验过程中忽略了尺寸效应，且试样加工过程中存在释放焊接残余应力与应力集中的影响，导致试验结果偏高，实际应用中需对其结果进行适当调整与修正。

随着电液伺服疲劳试验机的飞速发展，近年来国外将研究重点由小尺寸疲劳试验转为全尺寸疲劳试验，取得了一定的研究成果，并在海洋重点管道工程中得到应用[1]。可以说，依据海洋管道全尺寸疲劳试验所得到的试验数据，用于其寿命预测与安全性评价，已逐渐成为行业的共识。鉴于此，本文针对X65钢级海洋管道，在国内首次开展了管道四点弯曲+内压联合的全尺寸疲劳试验研究，为其疲劳寿命评价及服役期间的安全运行提供参考依据。

1 海洋管道全尺寸疲劳试验设备的提出与设计

通过对国外管道全尺寸疲劳试验设备的调研分析，不难发现：国外管道全尺寸疲劳试验机以卧式结构为主，其目的主要是为了增加疲劳试验机的系统行程，更好地满足全尺寸试样的试验要求。鉴于此，通过对国外技术的消化吸收，本文研究人员自主攻关研制开发了国内第一套海洋管道全尺寸疲劳试验设备[1-2]。该试验设备采用卧式结构，主要由机械系统、液压系统、冷却系统、控制系统等四部分组成，见图1。由于海洋管道在海流和波浪力的作用下，管壁往往会产生较大的垂直张力，该张力极易造成管道焊接接头的疲劳破坏，出现疲劳失效现象；此外，管壁还需承受由于输送油、气或水导致压力波动所引起的交变应力。故机械系统中需包含有可施加循环弯曲载荷以及内压载荷的伺服作动器，控制系统中需包含有可对试验过程中的数据进行实时存储与读写的设备。另外，考虑到试验周期较长，试验设备还需具备较好的实时监测与在线自动稳幅、限位保护与自保护等功能。

图1 管道疲劳试验机系统构成

2 海洋管道全尺寸疲劳试验技术研究

2.1 全尺寸疲劳试件制备

表3 焊接工艺参数

管道全尺寸疲劳试验采用国产X65 SSAW焊管，规格分别为D 108 mm×16 mm、D 323.9 mm×16 mm，其化学成分（质量分数）和力学性能见表1、表2。

表1 化学成分/%

表2 力学性能

全尺寸疲劳试验用管道全长为12 m。试验采用四点弯曲+内压静态疲劳加载方式，试验过程中为了消除封头效应对试验结果的影响，两端采用焊接堵头封堵。在一端堵头上制作进水口，出水口与进水口共用同一根软管。在另一端距离管道端部不远处钻一小孔，并焊上阀门，用于排出管道内部的空气。

X65钢级管道全尺寸疲劳试验接头形式为环焊缝对接接头，焊接方法采用STT打底＋自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面，坡口型式为图2所示的双V型复合坡口。坡口下部开口较大，打底过程便于焊工观察熔池，易于控制焊接质量；坡口上部开口角度变小，可减少焊接填充量，提高焊接速度。焊接过程中，管道预热温度为100～200℃，具体的焊接工艺参数见表3。

图2 坡口示意

2.2 全尺寸疲劳试件的裂纹预制

在海洋管道的加工预制过程中，会产生裂纹或裂纹式的缺陷；在管道的服役过程中，由于疲劳、蠕变、腐蚀等各种原因，管道内部也极易出现裂纹。随着海洋管道服役周期的延长，裂纹不断生长，导致结构承载能力和刚度下降，成为管道安全运行的隐患。一般来说，海洋管道内部出现裂纹后，并不会立即引起断裂，而是有一段稳定扩展期，即裂纹扩展寿命。仅当裂纹扩展到临界尺寸后，断裂才会发生。因此，试验过程中，为了克服管道全尺寸疲劳试验机加载频率过低、试验周期过长的缺陷，可根据试验周期需要针对性地在试验管道焊接接头处预制疲劳裂纹缺陷，从而在后续对其进行疲劳寿命评价时，可在忽略管道早期疲劳裂纹萌生寿命的条件下，基于小尺寸疲劳试验得到的疲劳裂纹扩展速率与断裂韧性，对管道的剩余疲劳寿命进行定量评价。

对于管道表面的疲劳裂纹，其显著特点就是裂纹前沿的裂纹扩展速率各不相同，且裂纹前沿最深点处裂纹扩展速率最高。裂纹前沿各点扩展速率的差异化及不规则性，使得裂纹扩展过程中的裂纹形状也具有不确定性。在ASME XI以及BSIPD6493标准中规定，表面裂纹扩展前沿形状可按近似半椭圆形状模拟。Newman和Lin等人分别采用双自由度法和多自由度法对不同形状因子的表面裂纹前沿扩展规律进行了研究[3-4]。结果表明，疲劳裂纹贯穿前，其表面裂纹形状一般用半椭圆来描述；疲劳裂纹贯穿后，其表面裂纹前沿可以用椭圆的一部分来近似代替；随着裂纹的扩展，其表面裂纹前沿逐渐过渡到用直线来代替。对于海洋管道，大多数超标缺陷都是浅长型缺陷。无论在拉伸还是弯曲条件下，浅长型裂纹的扩展主要是以深度方向为主，裂纹长度方向的变化极小。因此，研究裂纹沿壁厚方向的扩展比研究裂纹沿管体轴向的扩展更有意义。

另外，管道服役运行期间，泄漏也是一种重要的管道破坏形式，所以很多研究者以表面裂纹扩展成为穿透裂纹作为疲劳寿命试验结束的判据，即以管道壁厚作为裂纹最深处的深度。由此只需获得表面裂纹最深处的裂纹尖端应力强度因子，就可计算出管道在给定疲劳条件下的疲劳寿命。本试验中，为了模拟含缺陷管道的疲劳断裂过程，同时保证样管道疲劳失效断裂的指定性，可根据试验周期需要，在试验管道的中部焊缝处预制出环向或轴向的外表面半椭圆形裂纹缺陷。其中，对于内压加载的管道试样，在其中部焊缝处预制出轴向的外表面半椭圆形裂纹缺陷；对于弯曲加载的管道试样，在其中部焊缝处预制出环向的外表面半椭圆形裂纹缺陷；而对于四点弯曲与内压静态联合加载的管道试样，其疲劳裂纹预制方式按弯曲加载试样对待。

2.3 全尺寸疲劳试验的载荷施加

全尺寸疲劳试验在图1所示的试验装置上进行，试验采用恒幅加载方式。试验前先小载荷加载预制裂纹，随后加大载荷进行疲劳试验。对于弯曲加载，可根据试验需求输入加载波形与应力比，弯曲加载的最大载荷可达到1 000 kN；四点弯曲加载时，要求两个作动器同步动作（即相位角为0°），且保证管道中间环焊缝处于系统最大弯矩段内；对于内压加载，可根据需要选取波形与应力比，由此模拟实际管道内部的介质停输以及内部输送介质的压力波动。本文所述的X65钢级海洋管道，其全尺寸疲劳试验采用四点弯曲与内压联合加载的研究方式。四点弯曲加载时横向载荷通过两个相同的加载装置加载在距离端部等距离的两点，加载载荷在试样的中间截面即环焊缝处引起最大弯矩。内压加载采用与管道端部连接的液压子站施加，加载载荷在管道圆周截面内引起相同数值的周期应力。

由于慢性病患者的就医行为主要发生在门诊[13]和自购药品[14]上，糖尿病长期而频繁的门诊治疗和疾病管理所花费的医疗费用是因病致贫的主要原因[15]。上述分析显示，糖尿病患者，尤其是低收入组和中低收入组的患者面临着门诊自付费用带来的更大的疾病经济风险，也即，收入越低对长期而频繁的门诊治疗的花费越敏感。

2.4 全尺寸疲劳试件的应力应变测试及裂纹监测

本试验中，应力应变测试采用XH5861（32通道）全程控动态采集系统。考虑到管道受力的对称性，应变片分别粘贴在管道的9点钟和12点钟位置，全部采用单臂的贴片方式进行应力应变测试，两枚应变片分别沿着平行焊缝方向和垂直焊缝方向粘贴。

试验前，通过在焊缝附近粘贴应变片，将采集到的试验数据与疲劳试验机的加载输入值进行对比，若吻合较好则表明焊缝部位采集到的应力应变变化数值较为准确，可为整个试验过程中采集到的测试数据精度提供参考依据。另外，试验过程中，可通过在试样焊趾附近及裂纹尖端附近粘贴多枚应变片，测试裂纹附近应力应变的变化来判断裂纹的扩展，以及在重复载荷作用下裂纹的变长变宽。此时裂纹尖端的应力应变也逐渐增大，即曲线的振幅增大，从而可推断、检测裂纹的扩展。随着疲劳试验的进行，裂纹逐渐扩展到管道的内表面，管道内部压力瞬间释放，且伴随有内部输送介质的外流，此时间点可定义为贯穿厚度裂纹的出现及失效点。见图3。

图3 海洋管道全尺寸疲劳试件的应力应变测试

3 海洋管道全尺寸疲劳试验结果及分析

本试验样本为8组国产X65 SSAW焊管，规格分别为D 323.9 mm×16 mm×8 000 mm（1#～6#钢管）与D108 mm×16 mm×8 000 mm（7#、8#钢管）。试验加载波形为正弦波，加载频率为0.5 Hz，外部加载应力幅值为0～200 MPa，内部压力为0～20 MPa。每组全尺寸疲劳试验结束后，均对试验结果及数据进行了分析处理，并依据国际通用的标准规范BS 7608与DNVC203进行了最终的疲劳性能评定与对比分析，见图4、图5。

图4 海洋管道全尺寸疲劳试验的评定分析结果

图5 管道失效状况

综合分析图4及图5，可以发现在管道全尺寸疲劳试验中，管道疲劳失效形式可归为以下三类。结合现场的管道失效示意图进行分析，可得到如下结论：

（1）对于失效位置未知的管道。

该情况下，X65钢管焊接接头的疲劳循环次数已达到标准评定要求，出于时间考虑，停止试验，评定时认定该种情况为：管道的疲劳寿命满足要求。

其一，一般而言，疲劳裂纹在管道与夹具的接触区（母材）萌生，先贯穿壁厚，然后沿着管道的周向扩展。

其二，造成疲劳失效的原因在于：钢管外表面与夹具内表面的接触面积过小，且由于夹具内表面的粗糙度较高，导致该处应力集中，成为系统最薄弱区域；夹具内表面打磨后可消除应力集中。

其三，当应力幅值过高时，母材的S-N曲线与焊接接头的S-N曲线基本吻合。若母材受制造缺陷等因素影响，会造成该应力范围内母材处的疲劳强度低于焊接接头，导致母材先开裂。

（3）对于失效位置为焊接接头的管道。

其一，一般而言，裂纹在焊接接头及焊趾处萌生，先贯穿壁厚然后沿着管道周向扩展，最后造成失效。

其二，焊接接头焊趾部位沿熔合线处易存在微观咬边或夹杂物，形成不连续性区域，会导致该尖锐缺陷成为疲劳裂纹初始萌发源。因此，焊接过程中形成的微观咬边对焊接接头的疲劳强度影响较大，焊接过程中应严格控制此类缺陷。

其三，对于焊接接头预制裂纹管道而言，此预制裂纹的存在，会引起管道中裂纹尖端局部应力的升高，如此管道疲劳断裂会发生在指定的预制裂纹处，可评定为管道的指定失效。此类管道，研究其断裂过程与断裂判据，更接近于工程实际情况。

[1]胡艳华，唐德渝，方总涛，等.海洋管道全尺寸疲劳试验技术的研究现状与发展趋势[J].石油工程建设，2013，39（4）:1-6.

[2]唐德渝，方总涛，胡艳华，等.海洋管道全尺寸疲劳试验机的研制[J].石油工程建设，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，Fang 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

胡艳华（1981-），女，湖北荆州人，高级工程师，2009年毕业于中国石油大学（北京），工学博士，现主要从事海洋钢结构建造安装技术研究工作。

2014-04-02