李秀美 陳國明 李 偉 張慎顏 葛玖浩

(中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 山東青島 266580)

超深水水下分離器嵌入式接管馬鞍形焊縫應(yīng)力集中系數(shù)分布規(guī)律研究*

李秀美 陳國明 李 偉 張慎顏 葛玖浩

(中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 山東青島 266580)

針對超深水水下分離器接管焊縫應(yīng)力集中問題，考慮深水高外壓載荷工況，引入子模型技術(shù)，提出了嵌入式接管焊接結(jié)構(gòu)分析方法，基于路徑映射技術(shù)研究了水下分離器樣機馬鞍形焊縫焊趾處的應(yīng)力集中系數(shù)分布規(guī)律，并分析了切割孔半徑、焊趾傾角和焊趾過渡圓弧半徑等3個幾何參數(shù)對馬鞍形焊縫焊趾應(yīng)力集中系數(shù)分布的影響，結(jié)果表明：水下分離器樣機不同接管焊趾應(yīng)力集中系數(shù)分布不同，接管位置對焊趾應(yīng)力集中系數(shù)分布沒有影響；切割孔半徑?jīng)Q定焊趾應(yīng)力集中系數(shù)分布形式，減小焊趾傾角，增加焊趾過渡圓弧半徑能夠改善焊趾處的應(yīng)力集中，但焊趾過渡圓弧半徑作用有限。以所研究的水下分離器樣機為對象，設(shè)計了高壓艙實驗，制定了測點貼片方案，捕捉到了接管焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)分布特征點，而且數(shù)值分析結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，表明本文構(gòu)建的數(shù)值模型具有較高精度，可為嵌入式接管結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

超深水；水下分離器；嵌入式接管；馬鞍形焊縫；應(yīng)力集中系數(shù)；幾何參數(shù)；高壓艙實驗

深水水下分離器可在海底完成氣液分離和油水分離，有效解決深海油氣生產(chǎn)帶來的流動安全保障與經(jīng)濟(jì)效益的平衡問題[1]。在水深超過2 000 m的超深海中，當(dāng)水下分離器下放到目標(biāo)水深時，分離器殼體結(jié)構(gòu)僅承受超高外壓(該工況是整個壽命周期內(nèi)最危險的工況)，設(shè)計壁厚較大，開孔補強采用整體補強鍛件(又稱嵌入式接管[2])，將補強金屬集中在接管和殼體的連接處，所需補強金屬截面減小，能夠?qū)崿F(xiàn)“密集補強”[3]。嵌入式接管采用對接焊縫和圓角過渡，接管環(huán)焊縫為復(fù)雜的馬鞍形焊縫。馬鞍形焊縫開孔直徑較大，增大了管內(nèi)外變形自由度，造成焊趾處存在較高的應(yīng)力集中，是整個水下分離器殼體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。因此，研究超高外壓載荷下水下分離器馬鞍形焊縫處應(yīng)力分布對于保障水下分離器的安全運行具有十分重要的意義，同時可以為改進(jìn)馬鞍形焊縫設(shè)計加工工藝，減小馬鞍形焊縫處的應(yīng)力集中提供技術(shù)支撐。

嵌入式接管采用的馬鞍形焊縫屬于對接焊接接頭，國內(nèi)外圍繞對接接頭焊趾處應(yīng)力集中已展開一系列的研究，并取得一定的研究成果。例如，Gurney[4]研究了對接焊縫在橫向力作用下焊趾應(yīng)力集中系數(shù)分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)焊趾傾角、焊趾過渡圓弧半徑是影響對接接頭焊趾應(yīng)力分布的主要因素；Cerit等[5]分析了焊縫加強金屬和咬邊缺陷幾何參數(shù)對單軸受拉對接接頭應(yīng)力集中系數(shù)的影響；Terán等[6]以經(jīng)過打磨處理的T型接頭和對接接頭為研究對象，評估了不同形狀參數(shù)的焊縫在彎曲載荷作用下的應(yīng)力集中系數(shù)；張毅[7]、王佳杰[8-9]、趙智力[10]等分析了焊縫余高、蓋面焊道寬度、焊趾傾角等參數(shù)對承受拉彎載荷的對接接頭焊趾應(yīng)力的影響，給出了焊趾應(yīng)力集中系數(shù)的經(jīng)驗公式。上述研究均是基于平面應(yīng)力假設(shè)，并以二維平面對接接頭為研究對象，而目前有關(guān)嵌入式接管三維馬鞍形焊縫在外壓載荷下應(yīng)力集中的研究比較罕見。鑒于此，筆者以超深水水下分離器為載體，首先基于子模型分析技術(shù)建立嵌入式接管馬鞍形焊縫有限元模型，研究馬鞍形焊縫在外壓載荷下的應(yīng)力集中系數(shù)分布，并分析幾何參數(shù)對應(yīng)力集中系數(shù)的敏感性。進(jìn)而設(shè)計高壓艙實驗，制定高外壓測點貼片方案，通過對比實驗結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果，驗證仿真模型的精確性。本文相關(guān)方法和研究結(jié)論可為嵌入式接管的焊縫設(shè)計提供參考。

1 超深水水下分離器接管焊接結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

1.1 嵌入式接管焊接結(jié)構(gòu)幾何模型

嵌入式接管整體鍛造成型，工程上使用馬鞍形曲線自動切割機在水下分離器筒體切割焊接坡口(圖1)，通過馬鞍形半自動焊接機完成嵌入式接管和筒體之間的焊接。典型嵌入式接管整體補強結(jié)構(gòu)幾何模型如圖2所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括切割孔半徑rq、焊趾傾角θ、焊趾過渡圓弧半徑r、筒體內(nèi)半徑Ri、支管開孔直徑d、過渡圓角半徑r1和r2、筒體有效厚度δe、筒體計算厚度δ、接管計算厚度δt、接管補強后的有效厚度δre以及有效補強范圍Lc[11]。本文研究的馬鞍形焊縫是采用單面焊雙面成形技術(shù)所焊成的全熔透A類對接接頭，坡口形式為采用單邊V型坡口。

圖1 超深水水下分離器嵌入式接管焊接坡口Fig.1 Welding groove of embedded nozzle of ultra-deepwater subsea separator

圖2 超深水水下分離器嵌入式接管整體補強結(jié)構(gòu)幾何模型Fig.2 Integral reinforcement geometry model of embedded nozzle of ultra-deepwater subsea separator

1.2 嵌入式接管焊接結(jié)構(gòu)分析

在水下分離器整體模型中要體現(xiàn)嵌入式接管的幾何特征及馬鞍形焊縫將會加大劃分網(wǎng)格的難度，而且耗費巨大的計算資源。子模型技術(shù)在獲得局部精確解的前提下可以不增加整體模型復(fù)雜性和計算量，已經(jīng)在工程結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[12-14]。子模型技術(shù)是將子模型從整體模型中切割出來(又稱“切割邊界位移”技術(shù))，基于圣維南原理，只要子模型切割邊界位置遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域就可以獲得局部精確解[15]。

基于ANSYS APDL參數(shù)化建模方法，采用三維SOLID95單元建立超深水水下分離器整體有限元模型，模型主要設(shè)計參數(shù)為：筒體長1 200 mm，直徑6 000 mm，殼體厚度85 mm，封頭厚度72 mm。水下分離器樣機筒體和封頭材料為13 MnNiMoR，接管材料為20 MnMoNb，焊接材料為低氫型J607，材料性能參數(shù)參見表1。為模擬高壓艙實驗工況，模型左封頭增加裙座支撐管固定約束，外表面施加壓力載荷20 MPa，接管外端面壓力做盲板等效處理，即外端面壓力=20 MPa×盲板面積/外端面面積，盲板面積為接管外徑圓面面積，整體結(jié)構(gòu)施加軸向加速度模擬重力浮力差。由于有限元模型的對稱性，所以只建立1/2模型，對稱面施加對稱約束。水下分離器整體有限元模型如圖3所示(圖中字母為接管編號)。

表1 超深水水下分離器樣機材料參數(shù)Table 1 Material parameters of ultra-deepwater subsea separator prototype

圖3 超深水水下分離器整體有限元模型Fig.3 Overall finite model of ultra-deepwater subsea separator

超深水水下分離器樣機存在N1接管(rq=470 mm)和其他接管(rq=210 mm)2種不同切割孔半徑的嵌入式接管，現(xiàn)以N1接管為例闡述嵌入式接管子模型的構(gòu)建過程。不考慮接管與法蘭相連處的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，在PRO/E中建立接管倒角特征；馬鞍形焊縫由等厚掃描切割后經(jīng)過變截面掃描生成，將生成的接管模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。焊縫處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，筒體厚度方向有8層單元，以保證計算精度。N1接管子模型如圖4所示，其中靠近接管的一條焊趾線為里焊趾線，另一條為外焊趾線；馬鞍形焊縫傾角θ=15°，焊趾圓弧過渡半徑r=0。N1接管子模型同樣采用20節(jié)點實體單元SOLID95模擬，外表面和接管端面施加外壓載荷，對稱面施加對稱約束，切割邊界施加整體模型插值位移邊界條件。

圖4 超深水水下分離器接管子模型Fig.4 Submodel of nozzle in ultra-deepwater subsea separator

利用ANSYS軟件的子模型分析技術(shù)對嵌入式接管進(jìn)行分析，得到N1接管附近的應(yīng)力分布如圖5所示。由圖5可知，焊縫中心處應(yīng)力較小，VonMises應(yīng)力在鞍點處取得極小值。為簡化分析，定義應(yīng)力集中系數(shù)SCF為馬鞍形焊縫焊趾處Von Mises應(yīng)力和無接管筒體表面Von Mises應(yīng)力的比值?；诼窂接成浼夹g(shù)[16]，得到N1接管馬鞍形焊縫焊趾處的SCF隨角度Φ的變化曲線如圖6所示，其中角度Φ轉(zhuǎn)向定義為冠點逆時針轉(zhuǎn)至鞍點方向。由圖6可知，N1接管馬鞍形焊縫里焊趾線和外焊趾線SCF分布不均勻，在Φ=45°和Φ=135°存在2個波峰，在鞍點附近出現(xiàn)波谷，其中右波峰值稍微小于左波峰值，這是由于施加的軸向加速度導(dǎo)致的。

圖5 超深水水下分離器N1接管子模型應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of nozzle N1 of ultra-deepwater subsea separator

圖6 超深水水下分離器N1接管馬鞍形焊縫焊趾處SCF分布Fig.6 SCF distribution along saddle-shape weld toe of nozzleN1 of ultra-deepwater subsea separator

參照N1接管馬鞍形焊縫焊趾SCF分析方法，得到超深水水下分離器其他接管馬鞍形焊縫焊趾處SCF分布曲線如圖7所示。由圖7可知，其他接管馬鞍形焊縫焊趾SCF分布規(guī)律大致相同，接管位置對水下分離器樣機馬鞍形焊縫SCF分布基本沒有影響。與N1接管不同，其他接管焊趾處SCF在鞍點位置只存在一個波峰值，波谷值消失。

圖7 超深水水下分離器其他接管馬鞍形焊縫焊趾處SCF分布Fig.7 SCF distribution along saddle-shape weld toe of other nozzles of ultra-deepwater subsea separator

1.3 幾何參數(shù)對馬鞍形焊縫SCF分布的影響分析

對比圖6、7可知，切割孔半徑rq影響馬鞍形焊縫焊趾SCF的分布形式，是馬鞍形焊縫的幾何特征量。另外，馬鞍形焊縫是典型的對接焊縫，焊趾傾角θ和焊趾圓弧過渡半徑r也是馬鞍形焊縫的2個關(guān)鍵幾何參數(shù)。根據(jù)上述馬鞍形焊縫SCF分析方法研究rq、θ、r等3個幾何參數(shù)對焊趾線SCF分布的影響。

1.3.1 切割孔半徑rq

1.3.2 焊趾傾角θ

圖8 θ=15°、r=0時切割孔半徑rq對馬鞍形焊縫焊趾線SCF分布的影響Fig.8 Effect of rq on SCF distribution along weld toe line (θ=15°,r=0)

圖9 r=0時焊趾傾角θ對N1接管馬鞍形焊縫焊趾線SCF分布的影響Fig.9 Effect of θ on SCF distribution along weld toe line of nozzle N1(r=0)

圖10 r=12 mm時焊趾傾角θ對N1接管馬鞍形焊縫焊趾線SCF分布的影響Fig.10 Effect of θ on SCF distribution along weld toe line of nozzle N1(r=12 mm)

對比圖9、10可知，r的增加會緩和θ增加帶來的SCF增幅。當(dāng)r=0時，θ從15°增加到60°，里焊趾線最大SCF增加了35.03%，外焊趾線最大SCF增加了40.52%；而當(dāng)r=12 mm時，θ從15°增加到60°，里焊趾線最大SCF增加了11.09%，外焊趾線最大SCF增加了21.20%。

1.3.3 焊趾圓弧過渡半徑r

圖11、12分別為幾何參數(shù)θ=45、15°,r=0、4、8、12 mm時N1接管馬鞍形焊縫焊趾SCF分布曲線。由圖11、12可知，焊趾處SCF隨著r的增大而減小，這是因為過渡圓角緩和了焊趾處的幾何不連續(xù)性，減小了應(yīng)力集中。r對里焊趾線和外焊趾線的影響基本相同，r增加只是帶來SCF減小，并不會改變SCF的分布形式。

對比圖11、12可知，θ減小會弱化r對馬鞍形焊縫SCF分布的影響。當(dāng)θ=45°時，r從0增加到12 mm，里焊趾線最大SCF減小了18.51%，外焊趾線最大SCF減小了15.15%；而當(dāng)θ=15°時，r從0增加到12 mm，焊趾處SCF分布基本上沒有影響。由此可見，外壓載荷工況下參數(shù)θ是決定馬鞍形焊縫幾何不連續(xù)性的主要因素，參數(shù)r在緩和馬鞍形焊縫SCF分布方面作用很有限，因此水下分離器馬鞍形焊縫主要控制指標(biāo)是θ，當(dāng)θ值滿足出廠要求時，可以降低對打磨焊趾圓角的要求。

圖11 θ=45°時焊趾圓弧過渡半徑r對N1接管馬鞍形焊縫焊趾線SCF分布的影響Fig.11 Effect of r on SCF distribution along weld toe line of nozzle N1(θ=45°)

圖12 θ=15°時焊趾圓弧過渡半徑r對N1接管馬鞍形焊縫焊趾線SCF分布的影響Fig.12 Effect of r on SCF distribution along weld toe line of nozzle N1(θ=15°)

2 水下分離器高壓艙實驗

建立高精度的嵌入式接管有限元模型是準(zhǔn)確獲取馬鞍形焊縫SCF分布的基礎(chǔ)，因此，以本文研究的水下分離器樣機(接管馬鞍形焊縫參數(shù)θ=15°，r=0)為對象，設(shè)計高壓艙實驗，編制測點貼片方案，提取分離器樣機焊縫處應(yīng)力結(jié)果，并與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行比對，驗證數(shù)值模型的精度。整個高壓艙實驗是在中船重工第七О二研究所水下工程結(jié)構(gòu)實驗室進(jìn)行。

2.1 實驗設(shè)計

2.1.1 實驗裝置

超深水水下分離器高壓艙實驗裝置見圖13。由于實驗樣機總長度超出壓力筒內(nèi)徑，無法將試件水平放入壓力筒內(nèi)，為此定做了裙座以便于模型的吊裝及保護(hù)。分離器模型筒體上焊有吊耳，起吊時行車用鋼絲繩水平吊起模型，然后豎直放入壓力筒。應(yīng)變片數(shù)據(jù)線固定在實驗樣機筒體外表面遠(yuǎn)離測點的位置，在右封頭匯成一束從高壓艙內(nèi)引出。水泵打壓形成實驗壓力，應(yīng)變及壓力數(shù)據(jù)由UCAM-70A數(shù)字測量系統(tǒng)采集，現(xiàn)場實驗情況如圖14所示。

圖13 超深水水下分離器高壓艙實驗裝置Fig.13 Hyperbaric chamber experiment device of ultra-deepwater subsea separator

圖14 超深水水下分離器樣機入筒加壓Fig.14 Pressurization of ultra-deepwater subsea separator prototype

2.1.2 測點貼片方案

圖15 超深水水下分離器實驗樣機貼片圖Fig.15 Patch figure of ultra-deepwater subsea separator prototype

2.1.3 加卸載程序

模型實驗分3次加載，加載速率不大于0.5 MPa/min。其中，第1、2次為預(yù)加載實驗，最高壓力為20 MPa，加卸載程序為：0→4→8→12→16→20(保壓20 min)→16→12→8→4→0(MPa)，每個階段穩(wěn)壓2 min，穩(wěn)壓階段進(jìn)行3次應(yīng)變測量，當(dāng)壓力升至20 MPa時保壓20 min,并且每5 min進(jìn)行一次應(yīng)變測量。第3次為正式加載實驗，最高壓力為20 MPa，加壓實驗過程中不設(shè)置穩(wěn)壓臺階，緩慢加壓到設(shè)計壓力20 MPa，每0.5 MPa記錄數(shù)據(jù)1次，當(dāng)壓力升至20 MPa時保壓20 min并每5 min進(jìn)行一次應(yīng)變測量，然后緩慢卸載到0，每0.5 MPa記錄數(shù)據(jù)1次。

2.2 實驗結(jié)果

實驗后模型樣機外觀結(jié)構(gòu)完好，無明顯變形，實驗中水下分離器所有測點應(yīng)變-壓力關(guān)系曲線基本呈線性且卸載時恢復(fù)良好，證明實驗壓力內(nèi)各測點處的結(jié)構(gòu)變形處于材料彈性范圍內(nèi)。實驗中根據(jù)胡克定律計算測點處的應(yīng)力[17]，即

(1)

(2)

(3)

(4)

有限元數(shù)值計算結(jié)果和高壓艙實驗結(jié)果對比如圖16所示。由圖16可知，高壓艙實驗捕捉到了N1接管馬鞍形焊縫外焊趾線上Φ=45°和Φ=135°的2個SCF波峰值及鞍點處的SCF波谷值；對于其他接管，實驗結(jié)果捕捉到了外焊趾線上鞍點的SCF波峰值，驗證了接管位置基本不影響實驗樣機焊趾SCF分布這一現(xiàn)象。統(tǒng)計表明，數(shù)值計算結(jié)果和高壓艙實驗結(jié)果吻合較好，總體平均誤差為3.89%，說明本文建立的有限元模型比較精確地反映了高外壓載荷下馬鞍形焊縫焊趾處的SCF變化規(guī)律。

圖16 超深水水下分離器高壓艙實驗結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果對比Fig.16 Comparison of hyperbaric test results with numerical results of ultra-deepwater subsea separator

3 結(jié)論

1) 基于子模型技術(shù)，提出了水下分離器嵌入式接管馬鞍形焊縫的數(shù)值模擬方法，研究了馬鞍形焊縫焊趾處SCF分布規(guī)律，結(jié)果表明,切割孔半徑rq、焊趾傾角θ和焊趾圓弧過渡半徑r是影響馬鞍形焊縫焊趾SCF分布的關(guān)鍵幾何參數(shù)，rq影響馬鞍形焊縫焊趾SCF的分布形式，是馬鞍形焊縫的幾何特征量，隨著rq的減小，焊趾處SCF分布曲線在Φ=45°和Φ=135°的2個波峰值逐漸增大并向鞍點漂移，鞍點處的波谷值逐漸“上升”接近兩側(cè)的波峰值，最終兩個波峰值和一個波谷值在鞍點附近融合成一個波峰值；減小θ，增加r可以明顯改善焊趾處的應(yīng)力集中，θ會影響外焊趾線的SCF分布形式，焊趾處SCF分布對θ的敏感度高于r，參數(shù)r在緩和焊趾應(yīng)力集中方面作用有限。

2) 以本文研究的分離器樣機(接管馬鞍形焊縫參數(shù)θ=15°，r=0)為對象所設(shè)計的高壓艙實驗?zāi)軌虿蹲剿路蛛x器樣機接管焊趾處的SCF分布的波峰值和波谷值，統(tǒng)計表明數(shù)值計算結(jié)果和高壓艙實驗結(jié)果吻合較好，說明本文構(gòu)建的嵌入式接管焊接有限元模型屬于精確建模，該模型可為馬鞍形焊縫結(jié)構(gòu)分析設(shè)計提供參考。

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(編輯：葉秋敏)

Study on the distribution of stress concentration factor along the saddle-shape weld toe of embedded nozzles on ultra-deepwater subsea separators

LI Xiumei CHEN Guoming LI Wei ZHANG Shenyan GE Jiuhao

(CentreforOffshoreEngineeringandSafetyTechnology,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China)

Aiming at the problem of stress concentration in nozzle welding on ultra-deepwater subsea separators, an analysis method for structures with embedded nozzle welding under high external pressure was proposed by virtue of submodel technology.Stress concentration factor distribution along the saddle-shape weld toe on subsea separator prototypes was explored using path mapping technology.The impact of geometric parameters such as cut-hole radius, weld bead angle and weld toe radius on the stress concentration factor distribution along the weld toe was analyzed.Research results indicate that the stress concen tration factor distribution along the weld toe is different with different nozzles, but the position of nozzles has no effect on the distribution.The form of stress concentration factor distribution is determined by the cut-hole radius.Stress concentration can be mitigated by reducing weld bead angle and increasing weld toe radius, but the latter has only limited effect.Utilizing the subsea separator prototype, a hyperbaric chamber experiment was designed and the strain gages was laid out.Moreover, the characteristics of stress concentration factor distribution along the weld toe were captured.The numerical calculation results were in fair agreement with the test results, showing that the numerical model is accurate, which can provide reference for the structure design of embedded nozzles.

ultra-deepwater; subsea separator; embedded nozzle; saddle-shape weld; stress concentration factor; geometric parameter; hyperbaric chamber experiment

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“水下分離器關(guān)鍵技術(shù)研究 (編號：2013AA09A213) ”、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目“深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)強度可靠性分析 (編號：14CX06123A) ”部分研究成果。

李秀美，男，中國石油大學(xué)(華東)安全科學(xué)與工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事海洋承壓結(jié)構(gòu)完整性評價的研究工作。地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院(郵編：266580)。E-mail：lixiumei2006@126.com。

陳國明，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事海洋油氣工程及裝備、油氣安全工程方面的研究工作。地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院(郵編：266580)。E-mail：offshore@126.com。

1673-1506(2017)01-0133-09

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.020

李秀美，陳國明，李偉，等.超深水水下分離器嵌入式接管馬鞍形焊縫應(yīng)力集中系數(shù)分布規(guī)律研究[J].中國海上油氣，2017,29(1)：133-141.

LI Xiumei，CHEN Guoming，LI Wei,et al.Study on the distribution of stress concentration factor along the saddle-shape weld toe of embedded nozzles on ultra-deepwater subsea separators[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(1):133-141.

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2016-03-17 改回日期：2016-09-06