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（1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451；2.中國石油集團海洋工程重點試驗室，天津 300451）

0 引言

隨著海洋油氣開發(fā)產業(yè)的發(fā)展，海洋管道在近海石油及天然氣開采運營中得到廣泛應用。由于海洋環(huán)境及海上生產的復雜性和特殊性，海洋管道在服役期間的安全性也就成為其設計、鋪設、運營過程中需要特別關注的問題。在引發(fā)海洋管道事故的諸多因素中，疲勞損傷是導致海洋管道失效的主要原因。海洋管道的疲勞損傷往往是由管道中存在的各種交變應力引起的，交變應力使管道內部和表面的缺陷發(fā)生擴展，最終造成管道的疲勞斷裂，迫使供油供氣中斷，產生嚴重后果。因此，為了保障海洋管道的安全穩(wěn)定運行，需對其疲勞性能進行分析研究[1-4]。

目前，國內外海洋管道疲勞研究發(fā)展很快，在疲勞計算與抗疲勞設計方面，已形成了名義應力疲勞設計法、局部應力應變分析法、損傷容限設計法以及疲勞可靠性設計方法等。但由于疲勞設計只能近似估算管道的疲勞壽命，因此工程應用中多采用疲勞試驗方法來更準確地評定管道的疲勞壽命。

以前，管道疲勞試驗方法一般采用小尺寸疲勞試驗分析方法。該方法在試驗過程中忽略了尺寸效應，且試樣加工過程中釋放了焊接殘余應力與應力集中，導致試驗結果偏高，實際應用中需對其結果進行適當調整與修正。因此，近年來模擬海洋管道服役載荷條件下的全尺寸疲勞試驗技術發(fā)展很快，并已在國外部分重點工程中得到應用。本文重點介紹國內外海洋管道全尺寸疲勞試驗方法的技術現(xiàn)狀，并對國內在該領域的發(fā)展方向提出參考意見。

1 海洋管道焊接結構的力學特性

海洋管道焊接結構的力學特性是焊接接頭處同時存在焊接殘余應力、各種焊接缺陷以及應力集中。已有試驗證明[5]，控制疲勞裂紋發(fā)生與擴展的因素并非是傳統(tǒng)認為的應力比與最大應力，而是應力幅，即Δσ=σmax－σmin。不同的焊接結構，其焊接接頭處殘余應力和應力集中系數(shù)不同，其應力幅與破壞循環(huán)次數(shù)的關系不盡相同。同樣大小的應力幅作用在不同的焊接結構上，其能經受的應力循環(huán)次數(shù)不一樣，也就是疲勞壽命不一樣。由于焊接結構還存在初始焊接缺陷，易發(fā)展形成疲勞裂紋，因而成為海洋管道疲勞失效的主要原因。因此，在海洋管道的全尺寸疲勞試驗中，需重點關注焊接殘余應力與應力集中系數(shù)對管道疲勞壽命的影響。

2 海洋管道全尺寸疲勞試驗技術的研究現(xiàn)狀

海洋管道全尺寸疲勞試驗具有耗時長、費用高昂、技術難度大的特點，對全尺寸疲勞試驗設備的性能要求也較高，因此該技術的發(fā)展在20世紀90年代一度受阻，研究進展緩慢。近年來，隨著電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術的高速發(fā)展，管道全尺寸疲勞試驗研究進展較快，取得了一些突破性成果。目前，一些歐美發(fā)達國家已在深海油氣管道鋪設工程中采用全尺寸疲勞試驗數(shù)據(jù)對海洋管道進行疲勞壽命評估，并根據(jù)全尺寸疲勞試驗得到的S—N曲線對管道進行抗疲勞設計計算，促進了管道全尺寸疲勞試驗技術的發(fā)展。

2.1 國外海洋管道全尺寸疲勞試驗技術研究現(xiàn)狀

2.1.1 英國的全尺寸疲勞試驗技術

早在20世紀90年代，英國焊接所針對海洋管道的疲勞可靠性與安全性評價問題開展了大量研究，并將研究成果應用于深海油氣管道鋪設工程中，為其他國家發(fā)展管道全尺寸疲勞試驗技術奠定了參考基礎。

Stephen J Maddox等人[6]基于管道疲勞設計曲線，首次對海洋管道焊接接頭的全尺寸疲勞壽命進行了試驗研究，重點探討了不同焊接工藝方法對焊接接頭疲勞壽命的影響規(guī)律。試驗采用臥式全尺寸疲勞試驗裝置，試驗加載載荷為軸向拉伸載荷，應力比 r=0～0.35，試驗頻率為 3～10 Hz，焊接接頭的平均應力為125 MPa。試驗管道采用直徑630 mm、壁厚20 mm的API 5L X60鋼管，試驗管道分為2組：第一組管道為單面焊雙面成型，V型坡口，試件數(shù)量4件，根焊采用GTAW方法，填充分別采用GMAW或SMAW方法；第二組管道為雙面焊，X型坡口，根焊采用GMAW方法，填充分別采用GMAW或者SAW方法，試件數(shù)量2件。研究表明：

（1）單面焊成型或者雙面焊成型對焊接接頭的疲勞性能沒有影響。

（2）對于焊接接頭，計算其應力范圍時應考慮增加管道對接接頭錯邊量的影響。

（3）對于單面焊焊接接頭，疲勞裂紋往往起源于外截面焊趾處；而對于雙面焊焊接接頭，疲勞裂紋源一般產生于內表面的焊趾處，且由于錯邊的影響，外截面的應力高于內截面。

（4）拉伸彎曲應力會改變疲勞裂紋的初始發(fā)生源，但并不會影響管道的全尺寸疲勞壽命。

（5）管道對接接頭的錯邊會導致焊趾處應力增加，從而降低焊接接頭的抗疲勞性能，因此實際應用中應嚴格控制錯邊量。

隨后Stephen J Maddox等人 在上述研究基礎上進一步指出：對于單面焊的環(huán)焊縫，影響其疲勞性能的關鍵因素為組對精度、錯邊量以及焊后余高，推薦的焊后余高應控制在0.5 mm內，如此可有效降低應力集中的影響。

2.1.2 日本的全尺寸疲勞試驗技術

日本日立公司的Kunio Hasegawa等人[8]為了評價核電站管道系統(tǒng) （材質ASTM A106B和ASTM A333 Gr.6，管道直徑114.3 mm，壁厚8.6 mm，管道內壓10.9 MPa）的結構完整性和疲勞性能，在環(huán)境溫度條件下對帶有預制缺陷的鋼管進行了全尺寸低周疲勞試驗。

如圖1所示，試驗采用自行設計的全尺寸疲勞試驗機，主要由載荷滾輪、載荷支架以及固定臺架等組成，可完成小口徑 （114.3 mm）、長度為300～960 mm管道的全尺寸疲勞試驗?？紤]到疲勞試驗設備的加載頻率較低 （0.1 Hz），Kunio Hasegawa等人根據(jù)計算得到的最小設計壓力所需的壁厚值和ASME標準中第XI部分的周向貫穿裂紋接受標準，將管道預制缺陷設計成局部壁厚減薄。

圖1 全尺寸疲勞試驗裝置示意

試驗過程中，循環(huán)載荷應力比r=-1，初始加載范圍為-155～155 kN，載荷控制方式采用位移控制。試驗加載周期至252次時，試驗管道由于疲勞斷裂失效，內部液體滲漏。后續(xù)分析表明，疲勞裂紋初始源位于管道的最小壁厚范圍內，在外循環(huán)載荷的作用下，疲勞裂紋沿壁厚方向延伸，最終在圓周方向剪切力的作用下產生疲勞失效 （如圖2所示）。

圖2 管道局部減薄截面的疲勞斷裂

同時，為了定性和定量反映預制缺陷對管道疲勞性能的影響規(guī)律，對比了預制缺陷管道與完整管道的低周疲勞強度曲線以及其循環(huán)應力—應變曲線。結果表明：預制缺陷并未影響管道的結構完整性，管道未在地震產生的應力和循環(huán)次數(shù)范圍內發(fā)生破壞。由于管道焊接接頭處存在焊接殘余應力，管道的全尺寸高周疲勞壽命低于ASME標準第III部分中的疲勞設計曲線要求，說明焊接缺陷對管道的疲勞性能有很大影響，尤其是當裂紋萌生于占疲勞壽命很大部分的高周疲勞區(qū)時。

可以說，該研究首次通過全尺寸疲勞試驗，研究了疲勞裂紋預制對管道疲勞壽命的影響規(guī)律，不僅克服了常規(guī)四點彎曲疲勞試驗機加載頻率過低、試驗周期過長的缺陷，而且也為后續(xù)全尺寸疲勞試驗中疲勞裂紋預制及其擴展機理研究奠定了參考基礎。

2.1.3 巴西的全尺寸疲勞試驗技術

巴西的Miscow G F等人[9]為了評估海洋鉆桿的全尺寸疲勞性能，研制了一套全尺寸疲勞試驗設備以及配套的管道彎曲疲勞模擬器。

如圖3所示，該套試驗裝置主要包括主鋼結構，裝有液壓驅動器的兩個橫向載荷裝置，一個拉伸液壓驅動器，提供軸向和徑向載荷的兩個端部支撐裝置，兩個液壓泵，一個用來旋轉試樣的驅動機構 （電動機、正時皮帶、滑輪），多種測量儀器（測壓元件、LVDT傳感器、壓力傳感器等），一個數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)控制系統(tǒng)。其測試原理類似于小尺寸旋轉彎曲試驗。管道類似于一個簡支梁，焊縫處于梁的中間，通過兩個相同的加載裝置在距離兩端部等距離的兩點施加橫向載荷，在試樣的中間截面即環(huán)焊縫處產生一定的等值彎矩。當加載裝置輸入交變循環(huán)的橫向載荷時，焊接接頭處在焊接殘余應力和應力集中等影響下，產生疲勞裂紋源，并最終發(fā)生疲勞失效。

試驗裝置的主要技術參數(shù)見表1。

圖3 管道全尺寸疲勞試驗裝置示意

表1 全尺寸疲勞試驗裝置技術參數(shù)

如圖4所示，配套的管道彎曲疲勞模擬器主要由主鋼結構、液壓驅動器、端部延伸器、彎曲模、校正模等組成，其中彎曲模和校正模的曲率半徑分別為6 m和30 m，均在液壓驅動器的驅動下運動。試驗過程中，將全尺寸管道安裝在彎曲模和校正模之間，管道端部與端部延伸器的拉伸桿連接，在彎曲或校直過程中可以來回滑動，進行平移和旋轉。當液壓驅動器頂桿伸張時管道彎曲，當液壓驅動器頂桿緩慢回到初始位置時管道被拉直。試驗過程中管道的彎曲面上會產生塑性變形，可同時承受周期性旋轉彎曲和定向軸向拉伸的聯(lián)合載荷。

圖4 管道彎曲疲勞模擬器

試驗采用的鉆桿材料為API S-135，每根管被切成兩半，然后施以35 MN·m的扭矩連接在一起，試樣的最終長度約5.6 m。焊接完成后，經射線檢測探傷合格。試驗過程中，加載載荷通過閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入，控制變量通過壓式傳感器的信號給定。試樣內部充有壓力約為0.2 MPa的氣體，當管道內部出現(xiàn)疲勞裂紋后壓力降低。當管道內部壓力下降至一定程度時，試驗自動停止并對管道的泄漏進行檢測分析。由于疲勞損傷會引起管道剛度的急劇下降，因此當液壓執(zhí)行器的壓力增加超過初始值10%時，系統(tǒng)自動停止工作。另外，為保證系統(tǒng)安全，當電機電流超過初始值的10%時，試驗也會自動停止以防止電機過載。試驗循環(huán)加載次數(shù)至106次時，管道內部壓力急劇降低，試驗自動停止，此時全尺寸疲勞試樣出現(xiàn)疲勞失效。后續(xù)分析表明，管道疲勞失效主要由包含拉伸部分的重復周期應力加載引起，即由滑移帶上的表面塑性應變累積而成。持久滑移帶中存在的擠入擠出現(xiàn)象是彈性應力循環(huán)下疲勞裂紋成核的原因。

隨后，Netto T A等人[10]在上述研究基礎上進一步研究了帶有缺陷的預應變焊接接頭在彎曲載荷下的局部變形機理。研究結果表明，高度局部化的應變可能產生于有缺陷的尖端，這取決于缺陷的類型 （未熔合和未焊透）和尺寸。不同級別的預應變會影響材料的斷裂力學參數(shù)，并且降低周期載荷工況下焊接接頭的疲勞性能。由此，Netto T A等人首先通過全尺寸疲勞試驗得出了帶有不同缺陷的預應變接頭的疲勞壽命，隨后又采用了有限元分析模型和基于線性斷裂力學的特定算法來說明由于預應變而產生的材料屬性的變化，最終來評估典型接頭的疲勞壽命，為深水立管焊接標準中疲勞性能評價技術的發(fā)展提出了參考依據(jù)。

2.1.4 挪威的全尺寸疲勞試驗技術

近年來，挪威在深海管道疲勞完整性評價領域取得了較多研究成果，對海洋隔水套管、立管、鉆桿等深海管道的疲勞壽命均進行了全尺寸疲勞試驗研究，保障了深水油氣管道的運行安全。據(jù)報道，挪威采用的大型疲勞試驗機主要由液壓動力系統(tǒng)、用于靜態(tài)和動態(tài)試驗的液壓伺服控制激勵器、控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及最大加載能力可達2 000 kN的動態(tài)激勵器組成。該設備配備敏捷易于操作的加載程序，包括隨機載荷序列和可變信號帶寬，可完成溫度控制和陰極保護的海水環(huán)境全尺寸疲勞試驗以及能進行自動裂紋擴展監(jiān)控的大型結構全尺寸模擬試驗。目前，該系統(tǒng)已完成多種管道、多種型式焊接接頭的全尺寸疲勞試驗，積累了寶貴的管道全尺寸疲勞試驗數(shù)據(jù)與疲勞設計數(shù)據(jù)。

總結上述國外研究成果，可以得出以下幾點認識：

（1）國外全尺寸疲勞試驗機的加載試驗范圍有限，加載管道最大直徑不超過650 mm。

（2）對于全尺寸疲勞試驗設備，主要以臥式結構為主，目的是為了增加系統(tǒng)行程，滿足管道的全尺寸要求。

（3）試驗類型以彎曲疲勞試驗為主 （包括旋轉彎曲與四點彎曲），以軸向拉伸疲勞試驗與內壓疲勞試驗為輔。

（4）各國對于全尺寸疲勞焊接接頭疲勞壽命評定的分析重點不太一致，但總體來講以考慮殘余應力、應力集中、疲勞初始缺陷及焊接工藝方法等因素影響為主。

2.2 國內海洋管道全尺寸疲勞試驗技術研究現(xiàn)狀

近年來，受國外全尺寸疲勞試驗技術發(fā)展趨勢的影響，以及出于管道疲勞安全評定的自身需求，國內也開始逐步發(fā)展管道全尺寸疲勞試驗技術，并取得一些研究成果。

在海洋管道全尺寸疲勞分析的探索研究方面，西安管材所李云龍等人[11]首次在國內開展了實物鋼管內壓全尺寸疲勞試驗研究，并基于小尺寸疲勞試樣的裂紋擴展速率試驗數(shù)據(jù)，對管道剩余壽命進行了評估、預測和驗證。試驗管道為D 660 mm×8.7 mm的X60螺旋埋弧焊管，內壓加載范圍為0.75～7.5 MPa，載荷施加采用恒幅加載方式，試驗頻率為0.05 Hz，內壓加載應力比r=0.1。為縮短全尺寸疲勞試驗周期，在試驗管道中間外表面沿軸向預制了一個半橢圓形裂紋缺陷。研究結果表明：

（1）油氣輸送管道中壓力波動對管道的疲勞工作壽命有顯著影響。實際操作中，應盡量減少壓力變化次數(shù)，特別是壓力變化范圍。

（2）對于內壓全尺寸疲勞試驗，采用小尺寸疲勞試驗結果預測的管道剩余壽命與實物試驗結果基本一致，雖略微保守，但經過適當調整，可以在實際工程中應用。但全尺寸疲勞試驗的結果更精確可信。

莊傳晶等人[12]在上述研究基礎上，采用同一套內壓全尺寸疲勞試驗裝置，對管道全尺寸疲勞性能進行了細化研究。研究表明：

（1）油氣輸送管道中壓力波動和操作啟停會加快管道疲勞裂紋的擴展速率。

（2）預制缺陷的尺寸和循環(huán)應力幅范圍對管道疲勞裂紋生長速度和管道疲勞壽命有較大影響，金相分析表明微觀組織鐵素體中的珠光體成份會加速疲勞裂紋的擴展速率。

（3）管道的疲勞裂紋擴展速度隨著內壓加載應力比r的增加而增大。

（4）小尺寸疲勞試驗數(shù)據(jù)須經過修正與調整后方可在工程中應用，對于重要的海洋管道鋪設工程，推薦采用全尺寸疲勞試驗技術進行疲勞評定。

國內西安管材所針對X60螺旋埋弧焊管，開展了全尺寸內壓疲勞試驗，得到了內壓波動對管道疲勞性能的影響規(guī)律。同時，在忽略管道早期的疲勞裂紋萌生壽命條件下，基于小尺寸疲勞試驗得到疲勞裂紋擴展速率，定量評價了管道的剩余壽命。上述研究，首次在國內引入了全尺寸疲勞以及疲勞裂紋預制等概念，對于推動國內后續(xù)全尺寸疲勞試驗技術的發(fā)展起到了積極作用。

近幾年來，中國石油集團工程技術研究院在國內外全尺寸疲勞試驗技術研究的基礎上，國內首創(chuàng)自行設計了多功能管道全尺寸疲勞試驗機[13]。該疲勞試驗系統(tǒng)設計為臥式結構，主要由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四部分組成 （如圖5所示），可完成直徑108～610 mm的各類型管道的三點或四點彎曲疲勞試驗和最大內壓21 MPa的壓力疲勞試驗，同時對于彎曲疲勞試驗和內壓疲勞試驗，可根據(jù)實際需要單獨或同步協(xié)調加載，從而更好地滿足全尺寸疲勞試驗管道的評定要求。

圖5 管道疲勞試驗機布置

此外，中國石油集團工程技術研究院已先后完成多組D 108 mm、D 323.9 mm和D 610 mm的X65管道四點彎曲與內壓疲勞同步加載全尺寸疲勞試驗，焊接接頭加載范圍為124～298 MPa，管內內壓加載范圍為0～21 MPa。通過一系列試驗，對管道接頭在不同應力幅范圍下的疲勞壽命有了較為全面清晰的認識。同時，在試驗過程中，綜合考慮焊接殘余應力、應力集中以及焊接初始缺陷等多因素影響，首次攻關解決了全尺寸疲勞裂紋預制、疲勞載荷的修正施加與載荷譜的編制擴展等關鍵技術難題，形成了全尺寸疲勞試驗應力應變測試、疲勞裂紋檢測、管道多類型應力疊加分析和疲勞性能評定等系列專有技術。依據(jù)該系列技術，工程人員可更好地掌握焊接結構的抗疲勞性能，提高管道結構形式及接頭形式的設計水平，使所設計的焊接結構更合理，具有更高的抗疲勞強度；而且可針對焊接接頭疲勞性能較差的弱點，在焊接結構制造過程中嚴格控制焊接質量，防止和減少焊接缺陷的產生；在焊接接頭完成后以及使用過程中采取有效的工藝措施，以進一步提高接頭的抗疲勞強度，增加其承受動載的能力，延長其使用壽命。

3 幾點建議

海洋管道疲勞是一個很重要的問題，關系到焊接結構的安全性與經濟性。為了保障我國海洋管道的安全建設和穩(wěn)定運行，需要消化、吸收、利用國外已有的技術成果，通過對全尺寸疲勞試驗設備以及疲勞試驗理論體系的深入研究和創(chuàng)新，形成具有我國特色的全尺寸疲勞試驗技術。為海洋管道的疲勞壽命預測與分析提供真實可靠的決策依據(jù)。

管道全尺寸疲勞試驗研究將在今后海洋管道的疲勞評定與完整性分析領域得到更為廣泛的應用?？紤]到目前國內積累的海洋管道全尺寸疲勞試驗數(shù)據(jù)還較為有限，且疲勞測試技術還有待進一步完善，因此筆者認為國內今后在發(fā)展海洋管道全尺寸疲勞試驗技術時，應重點考慮以下幾個發(fā)展方向：

（1）根據(jù)管道的服役環(huán)境，優(yōu)化選擇最佳的全尺寸疲勞試驗類型，進行多種類型全尺寸疲勞試驗，如三、四點彎曲疲勞、渦激振蕩高頻疲勞以及軸向拉伸疲勞等不同類型試驗。

（2）進一步完善應力應變測試技術，增強焊接接頭處多通道數(shù)據(jù)的耦合采集與處理分析能力。

（3）結合局部應力應變分析、斷裂力學等多種理論，完善全尺寸疲勞試驗數(shù)據(jù)的采集、處理與分析功能，形成更科學的疲勞評定分析體系。

（4）基于全尺寸疲勞試驗技術，采用動態(tài)數(shù)據(jù)庫技術、優(yōu)化篩選技術和計算機圖形學，完成相關軟件的開發(fā)，并將其成功應用于管道疲勞評定工程中，為海洋管道焊接接頭的設計、制造、施工等提供參考依據(jù)。

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