深水钻井隔水管共振式疲劳试验研究

侯晓东，刘宏亮，雷广进，陈　叶，李　晨，王文君

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721001；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721001)①



试验研究

深水钻井隔水管共振式疲劳试验研究

侯晓东1，2，刘宏亮1，2，雷广进1，2，陈叶1，李晨1，王文君1

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721001；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721001)①

以深水钻井隔水管的全尺寸弯曲疲劳试验为契机，对共振式疲劳试验方法的实际应用进行了探索。基于该方法在隔水管疲劳试件设计、试验过程及结果分析等方面进行了系统分析和研究。试验测试结果证明了采用有限元模态计算进行隔水管全尺寸疲劳试件结构设计的正确性。通过理论加载曲线和实测加载历程的对比验证了共振式弯曲疲劳试验加载方法的正确性。该试验的成功为共振式疲劳试验方法和相应试验设备在大直径管材全尺寸疲劳试验领域的深入应用提供了参考。

疲劳试验；共振；隔水管；模态分析

钻井隔水管是深海油气钻井作业中连通海上钻井平台与海底的水下防喷器的通道，是深海油气钻井过程中不可或缺的前提条件。深水钻井隔水管的工作环境非常恶劣，它所承受的外载有很强的随机性，各种随机载荷的长期作用会使隔水管在应力远低于屈服条件时产生疲劳破坏，引起钻井中断，甚至造成海域污染等严重后果[1-2]。因此，深水钻井隔水管的疲劳性能研究、疲劳试验方法受到海洋钻井装备领域的广泛关注，做了大量的相关研究[3-7]。然而，国内对深水钻井隔水管共振式弯曲疲劳试验方面的研究很少，该方法在国内的实际应用几乎没有。刘秀全等人[8]对适用于海洋油气立管的各种疲劳试验方法进行了阐述，通过论述不同试验方法的试验原理、试验机模型以及优缺点对比，认为共振弯曲疲劳试验法试验频率高，无附加力，已成为立管全尺寸疲劳试验的标准方法。赵焕宝等人[9]根据深水钻井隔水管的实际工况对弯曲疲劳试验载荷进行了分析研究，得出了在给定参数下，电机转速与隔水管试件应力幅的对应关系。2014年，侯晓东等人[10]成功设计建造了海洋立管共振弯曲疲劳试验装置，主要用于立管类产品的共振式弯曲疲劳试验。本文以E级深水钻井隔水管的全尺寸共振式弯曲疲劳试验为例，阐述了共振式疲劳试验方法在具体产品试验中的应用，特别对采用共振式疲劳试验法时，相应全尺寸疲劳试件的设计方法提出了建议。

1　试验装置及参数

隔水管共振式全尺寸疲劳试验在海洋立管共振弯曲疲劳试验装置上进行，试验装置如图1。该装置用于全尺寸的海洋立管主体、对接环缝或各类型接头在弯曲疲劳载荷工况下的疲劳寿命测试，其加载频率高，1 h最多可实现10万次以上的应力加载循环，并且在管材每一个横截面的周向任意点均能达到相同幅值的交变弯曲应力。试验装置主要参数如表1。

图1　海洋立管共振弯曲疲劳试验装置

表1　海洋立管共振弯曲疲劳试验装置参数

2　全尺寸疲劳试件设计

采用共振式疲劳试验方法，首先要确定试件的结构尺寸，使其弯曲振动固有频率在试验装置加载频率可达到的范围内。根据试验装置加载频率0～30 Hz，试件要达到弯曲共振，其纯弯曲模态下的固有频率应在该频率范围之内，同时，由于加载频率和疲劳试验效率成正比，为了提高试验效率，试件纯弯曲模态固有频率不能太低。另一方面，在设计立管疲劳试件时，应综合考虑立管试件、静载室和动载室进行模态分析，确保立管试件一阶固有频率在合理范围内(一般为15～30 Hz)。在此基于ANSYS仿真平台有限元模态分析方法[11]，试算初步设计的隔水管疲劳试件的固有频率及振型。

2.1有限元模型建立

初步设计钻井隔水管全尺寸疲劳试件长度为8 500 mm，外径ø533.4 mm，与隔水管产品一致。试件两端焊接有封板及进排水接头，试验时内腔充满水，用于模拟实际工况中的隔水管内压和张紧力载荷。为了使计算模型更接近于实际情况，分析中对疲劳试件、激振端夹具、配重、试件内水的质量做为一个系统来考虑，如图2。

图2　隔水管疲劳试件系统三维模型

1)部件连接关系处理。试验过程中，激振端夹具、配重块用螺栓与试件连接成一体，在分析中将连接面处理为完全绑定接触类型，即计算过程中连接接触的两个物件不发生相对滑移。

2)内压及轴向张力的处理。自由模态计算中，外载荷对试件的固有频率没有影响，在此不予考虑。

3)内腔试压水的处理。试件内腔充满水，水的质量对整个系统的固有频率有很大影响。本文通过将水的质量等效附加在试件上予以考虑。

整个疲劳试件整体模型采用四面体网格划分，单元数902 867，节点数1 453 325，网格模型如图3。

图3　隔水管疲劳试件系统网格模型

2.2模态计算结果分析

经过模态有限元计算得出该钻井隔水管疲劳试件系统的前12阶固有频率及振型，因求解的是自由模态，前6阶为其平动和转动的刚体运动，不予考虑，第7～12阶振型如图4。

其中，第9阶至第12阶为疲劳试件系统的2次弯曲振动模态和复杂振动模态，相应的固有频率太高，达到70 Hz以上，不适合在海洋立管共振弯曲疲劳试验装置进行试验。第7阶和第8阶为隔水管疲劳试件系统的1次弯曲模态，是本疲劳试验中试件的目标振型，对应固有频率为24.035 Hz，在试验的目标固有频率范围内，这说明初设的疲劳试件结构尺寸满足试验要求。

a)　7阶

b)　8阶

c)　9阶

d)　10阶

e)　11阶

f)　12阶

1次弯曲振型下试件的应力分布形式如图5，由于求解的是自由模态，未施加激振载荷，结果中的应力值大小不是真实值，但其应力分布形式是真实的。试件应力以中间横截面为对称面对称分布，中间弯曲应力最大，向两端逐渐减小。由此可知，当试件疲劳性能最薄弱部位在中间位置时，就可以在很小的激振载荷下得到最大的交变弯曲应力，这样可在提高全尺寸疲劳试验效率的同时最大限度减小对试验装置的损伤。

a)　Mises等效应力分布

b)　轴向应力分布

2.3试件结构设计

深水钻井隔水管疲劳性能最薄弱的环节是管体上的对接环焊缝，为了增加疲劳试验样本数，1根试件上设计两条同样的焊缝，以中间截面对称布置，再综合考虑试件施加内水压的要求，设计试件结构如图6，试件上总共布置12个应变片，4个一组，同一组中应变片环向间隔90°均布，用于监测和记录试件上的实时交变应力加载情况。

由于钻井隔水管一般存在2种对接环缝，即flange-pipe环缝和pipe-pipe环缝，由于法兰材料和管体材料不同，焊接工艺有差异，其疲劳性能也存在差别，为了模拟2种焊缝，在此设计了2个试件，试件1中间段为法兰材料X80J锻件，两端为管体材料X80，试件2三段均为管体材料X80。

2.4试件支撑跨距确定

由于本试验是以共振原理为基础，试验过程中持续高频的振动载荷对疲劳试验装置的损伤也非常大，为了进一步减轻对试验装置的损伤，延长试件支撑系统的寿命，必须合理设置试件的支撑位置。

图6　钻井隔水管全尺寸疲劳试件示意

从试件1次弯曲振动的位移分布图(图4)可以看出，当试件发生1次弯曲振动时，试件上总存在2个零位移点，这2个点的位移仅由于疲劳试件的直径尺寸而发生微小的变化，并且这2个点的轴向位置也不随振动时间的推移而变化，如果把试件的支撑点置于其2个零位移点，则试件的振动能量仅会有很少一部分传递给试验装置支撑系统，也就大幅减小了试验装置所承受的动载荷，延长了支撑缓冲装置的寿命。这2个零位移点以试件中截面对称，相距约5 800 mm，由此确定深水隔水管全尺寸疲劳试件的支撑跨距为5 800 mm。

3　试验参数及试验结果分析

3.1试验参数

参与试验的E级深水钻井隔水管试件直径ø533.4 mm，壁厚15.88 mm，加载内压14 MPa，加载的交变应力幅为140 MPa，由内水压和交变应力载荷可以得到疲劳试件中截面外圆任一点的理论应力加载曲线(计算值)，对应试件中间截面外圆的4个应变片位置点(如图6)，其加载应力值如图7所示。

3.2试验结果及分析

对2根试件，共4条焊缝进行了全尺寸疲劳试验，试件内静水压实际加载至13.8 MPa，并在整个试验过程中处于保压状态，加载历程如图8。

图7　疲劳试件中截面理论加载应力曲线

交变应力的实际加载历程曲线如图9，为标准的正余弦曲线，包含12个应变片的实时监测值，单位为微应变，第1、5、9号应变值在同一相位，第2、6、10号应变值在同一相位，比1、5、9号的应变值在时域上相差π/2相位，同样，第3、7、11号比第2、6、10号应变值又差π/2相位，第4、8、12号应变值比第3、7、11号差π/2相位，这符合共振式弯曲变形下，图6贴片方式得到的时域图。测得的实际加载历程和图7中的理论加载曲线基本一致，只是在实际试验中，水压加载至13.8 MPa保压之后，对所有12个通道的应变都进行了调零，因此图中的应变基线为0。实际加载的交变应力频率为22.8516 Hz，频率接近试件的1次弯曲固有频率24.035 Hz。幅频曲线如图10。试验中加载频率越接近试件固有频率，振动就越激烈，弯曲应力幅值就越大，当应力幅值达到试验要求时，就没有必要再提高加载频率。

图8　试件内水压加载历程

图10　试件加载频率及应变幅值

第1根疲劳试件在加载循环了95万次时，2个焊缝之间的中间段X80J锻件发生刺漏，如图11，但是2条焊缝均完好，无任何渗漏，这说明在交变载荷下，1号试件的2条焊缝疲劳寿命均高于95万次。第2根试样在加载了122万次时，3号与7号应变片之间的焊缝出现了透壁裂纹，如图12，由此证明，2号试件的2条焊缝在前述交变载荷下，寿命均不低于122万次。

图11　1号疲劳试件刺漏照片

图12　2号疲劳试件刺漏照片

根据2个疲劳试件、4条环形焊缝的全尺寸疲劳试验结果，依据挪威DNV-RP-C203[12]和英国BS7608[13]标准，对E级深水钻井隔水管疲劳寿命进行评估，结果如图13。

由图13可知，E级深水钻井隔水管2种焊缝的全尺寸疲劳寿命均高于DNV W3类、DNV F3类和BS7608 F2类S-N目标疲劳曲线，低于DNV C1类S-N目标疲劳曲线，具体量化数据如表2。

图13　E级深水钻井隔水管全尺寸疲劳寿命评估

试样焊缝数量累计试验循环次数/万次破坏位置平均应变/μεBS760897．5%F2Curve要求目标循环次数/万次Testpipe001295X80J锻件刺漏，焊缝完好698．0081．0Testpipe0022122pipe⁃pipe焊缝出现透壁裂纹687．4489．6

4　结论

1)共振式疲劳试验方法效率高，加载历程为标准的正余弦曲线，且容易实现对大直径管材的交变载荷施加。

2)采用共振式疲劳试验设备进行试验时，应基于模态计算合理设计疲劳试件的结构和配重，以确保其1次弯曲固有频率在试验目标频率范围内，进而可以使相应试验设备实现对试件加载不同应力水平的交变载荷。

3)采用共振式疲劳试验设备进行试验时，应合理设计疲劳试件的支撑跨距，这样才能在试验的同时最大限度减轻对设备的损伤，延长试验设备寿命。

4)根据试验结果分析，2根ø533.4 mm(21英寸)E级深水钻井隔水管疲劳试件寿命超过了BS7608标准中F2类目标寿命曲线。

5)海洋立管共振弯曲疲劳试验装置不仅适用于钻井隔水管的全尺寸疲劳试验，同样也适用于采油立管、海底管道、油套管及其管螺纹接头等其他类似产品的全尺寸疲劳试验。

[1]弓大为.海洋隔水管故障分析[J].石油矿场机械，2003，32(5)：4-7.

[2]畅元江，陈国明，刘健.深水钻井隔水管的波致长期疲劳[J].机械强度，2009，31(5)：797-802.

[3]Jaime Buitrago，Michael S Weir，Wan C Kan.Fatigue Design and Performance Verification of Deepwater Risers[C].22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，Paper 37492.Cancun，Mexico，2003.

[4]Jeroen Van Wittenberghe，Patrick De Baets，Wim De Waele，et al.Resonant bending fatigue test setup for pipes with optical displacement measuring system[J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2012，134(3)，97-109.

[5]Clements R A，Jamal N，Sheldrake T，et al.Riser Strategies：Fatigue Testing and Analysis Methodologies for Flexible Risers[C].Offshore Technology Conference，paper 17764.Houston，Texas，U.S.A，2008.

[6]Rajiv K A，Marcio M M，Sternar K，et al.Development and Qualification of Alternate Solution for Improved Fatigue Performance of Deepwater Steel Catenary Risers[C]//26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，Paper 29235.San Diego，California，U.S.A，2007.

[7]Stephen J M，Julian B S，Razmjoo G R.An Investigation of The Fatigue Performance of Riser Girth Welds[C]//25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，Paper 92315.Hamburg，Germany，2006.

[8]刘秀全，陈国明，畅元江，等.海洋油气立管疲劳试验方法[J].中国造船，2011，52(9)：34-38.

[9]赵焕宝，侯晓东，雷广进，等.深水钻井隔水管疲劳试验载荷分析[J]．石油矿场机械，2013，42(2)：32-35.

[10]侯晓东，刘宏亮，雷广进，等.一种钢管弯曲疲劳试验机：中国，CN 203465164 U [P].2014.

[11]蒲广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[12]DNV-RP-C203，Fatigue Design of Offshore Steel Structures[S].2012.

[13]BS7608，Code of practice for Fatigue design and assessment of steel structures[S].1993.

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

国家高科技研究发展计划(863计划)“深水钻井隔水管系统工程化研制”(2013AA09A222)；工信部海洋工程装备科研项目“海洋钻井平台用深海隔水管系统研究及关键部件研制”

侯晓东(1984-)，男，陕西宝鸡人，工程师，硕士研究生，现从事海洋石油钻采设备研究、试验装备设计及有限元仿真工作，E-mail：houxiaodong0928@163.com。

TE951

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.009