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(中海油 安全技術服務有限公司，天津 300450)

·專題研究·

水下防噴器疲勞壽命分析及判廢研究

吳奇兵，張士超，葛偉鳳，張昕，方傳新，張臣

(中海油 安全技術服務有限公司，天津 300450)

目前，國內尚無針對水下防噴器專用的判廢標準，采用通用判廢指標對其進行判廢，適用性較差。在分析國內外井控裝備判廢標準的基礎上，確定了年限和承壓次數為防噴器的主要判廢指標。通過防噴器殼體的強度分析，基于材料的S-N疲勞曲線法，計算防噴器殼體疲勞壽命；應用Paris公式對含裂紋缺陷防噴器殼體疲勞壽命進行分析。結果表明：防噴器殼體在額定工況下及試驗工況下滿足強度要求；以疲勞理論計算出額定工作壓力工況下的防噴器的承壓循環(huán)次數及工作年限遠大于標準中要求的指標；含有初始裂紋防噴器殼體的疲勞壽命遠小于未含有裂紋的殼體疲勞壽命，且隨著初始裂紋尺寸的增加，防噴器殼體的疲勞壽命逐漸降低。通過對防噴器殼體進行疲勞壽命分析，為水下防噴器判廢研究提供了一種新思路。

水下防噴器；強度；S-N曲線；疲勞壽命；判廢

水下防噴器是半潛式鉆井平臺進行海洋石油勘探開發(fā)與作業(yè)的關鍵設備，其作用是控制井口壓力，防止井噴事故發(fā)生，保證人員、設備及海洋環(huán)境安全[1]。作為重要的安全保障設備，井控設備合理的判廢是保證海上鉆井安全的重要手段之一。目前，水下防噴器還沒有強制判廢標準，也沒有強制報廢的做法，給現場作業(yè)帶來很大的安全隱患。

國內相關標準規(guī)范確定了防噴器判廢條件[2-5]，但只針對陸地防噴器，并不適用于海上防噴器(尤其是水下防噴器)的特殊要求。水下防噴器由于其特殊的工作環(huán)境及高昂的制造成本，其判廢時不能簡單套用陸地防噴器的判廢標準。本文在研究了陸地防噴器判廢條件的基礎上，總結了影響防噴器使用壽命的主控參數。以某深水鉆井平臺雙閘板防噴器為研究對象，運用ABAQUS有限元分析軟件進行了殼體的強度分析[6-7]，同時計算了防噴器殼體在完好狀態(tài)及含有初始裂紋缺陷2種條件下的疲勞壽命。該研究為水下防噴器的檢修及判廢提供理論支持。

1 防噴器判廢現狀

國際上涉及防噴器的主要標準包括：API RP 53、API Spec 16D、API Spec 16A、NORSOK-D-001、IADC的Deep Water Well Control Guidelines、MMS regulations title 30 of the Code of Federal Regulations、UK health and safety requirements等，這些標準均沒有明確的防噴器判廢要求。通過文獻檢索發(fā)現，國外有關井控設備報廢研究公開發(fā)表文獻很少，API、ISO、DNV也沒有相關的標準，可供參考的資料很少。

國內，行業(yè)標準SY/T 6160—2014《防噴器檢查和維修》對井控設備報廢制定了相關技術標準。該標準適用于鉆井、井下作業(yè)用防噴器。標準規(guī)定了年限、刺漏、變形、硬度退化、磨損、密封、裂紋、螺紋孔等判廢技術指標。

中石油制定了企標Q/CNPC 41—2001《防噴器判廢技術條件》，同時用公司文件形式下發(fā)了中國石油天然氣集團公司井控裝備判廢管理規(guī)定。該標準適用于鉆井、修井用的環(huán)形、閘板防噴器，未對海上防噴器做出單獨規(guī)定。標準規(guī)定了年限、試壓次數、裂紋、變形、硬度退化、磨損、密封、重要螺紋孔、控制油路等判廢技術指標。

中石化制定的企標Q/SH 0164—2008《陸上井控裝置判廢技術條件》。該標準適用于陸地鉆井各類防噴器、鉆井四通、井控管匯、控制裝置和氣體分離器。標準規(guī)定了試壓次數、裂紋、變形、硬度退化、磨損、密封、重要螺紋孔、控制油路等判廢技術指標，但沒有強制報廢的年限要求。

對比分析國內外防噴器檢修和認證的實際做法，總結出影響防噴器判廢最重要的參數為年限和承壓次數2個指標，如表1所示。

表1 國內標準判廢條件分析

國內使用的水下防噴器多為進口設備，由于其性能及使用工況的特殊性，無法按照國內通用的判廢標準執(zhí)行，在使用時通常是按照相關檢驗維修標準及廠家推薦的方法進行檢驗維修，以確保水下防噴器作業(yè)安全。

2 強度分析

作為防噴器組中最重要的承壓件，防噴器殼體的壽命決定了整個防噴器的使用壽命。為確保防噴器在役期間安全正常地運行，防噴器殼體必須具備承受作業(yè)工況壓力下滿足強度要求。此外，應力分析的結果是疲勞壽命計算的基礎。

2.1 模型建立

本文以某深水鉆井平臺雙閘板防噴器為研究對象。該防噴器主要由閘板密封、側門密封、液壓鎖緊等組成，如圖1所示。

圖1 雙閘板防噴器三維模型

在進行殼體強度分析時，為了節(jié)省計算空間，提高計算效率，考慮殼體的對稱性，采用1/4模型進行模擬計算，同時將雙閘板防噴器上一些不影響分析結果的結構簡化。

殼體形狀結構較為復雜，在縱向上存在較多的尺寸突變，因此采用四面體網格，并對承載面和轉角處進行單元細化處理。殼體計算模型共劃分單元54 796個，節(jié)點11 412個，網格劃分如圖2所示。

圖2 防噴器殼體有限元模型

防噴器殼體力學參數如表2。

表2 防噴器殼體材料力學性能參數

2.2 計算結果分析

在殼體的內部承壓面上施加均布壓力。模擬施加的內部載荷包括2個級別：工作狀態(tài)下額定工作壓力(70 MPa)及試驗狀態(tài)下的1.5倍額定工作壓力(105 MPa)。殼體的外表面上施加作業(yè)水深處的靜水壓力。殼體的上、下表面為固定端，加位移約束；殼體的剖面上加對稱約束。

強度校核采用API SPEC 16A[8]推薦的第二種強度校核的方法進行校核，即防噴器殼體所承受最大等效應力不大于材料屈服強度即滿足要求。當殼體承受的分別是額定工作壓力(70 MPa)與試驗狀態(tài)下的1.5倍額定工作壓力(105 MPa)時，防噴器殼體承受的最大等效應力分別為308.5 MPa與500.6 MPa(如圖3)，出現在防噴器殼體通徑的內壁部分區(qū)域。最大等效應力小于屈服極限586 MPa，說明在額定工作壓力及靜水壓試驗工作下，該防噴器的殼體強度滿足API標準要求。

a 額定工況

b 靜水壓工況

通過對2種工況的分析，可以發(fā)現殼體出現多處高應力區(qū)域，主要分布在殼體垂直通孔與閘板腔室孔相貫處、結構突變處以及殼體相對較薄的部位。防噴器殼體這些部位易發(fā)生破壞，進而影響使用壽命，需要在防噴器使用及維保過程中重點關注。

3 疲勞壽命預測

防噴器在工作時，頻繁地加壓泄壓，且海上工作環(huán)境惡劣，長時間工作時防噴器有可能發(fā)生疲勞破壞。對于無初始裂紋的防噴器殼體，依據有限元分析求出的應力幅，并結合S-N曲線可求出其使用壽命[9]。

3.1 S-N曲線選取

防噴器殼體可看作壓力容器，因此疲勞曲線可應用ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范》推薦的S-N疲勞曲線[10]。如圖4所示。

圖4 ASME標準推薦的S-N疲勞曲線

S-N疲勞曲線數學表達式為

lgN=lgC-mlgΔσ

(1)

式中：N為循環(huán)次數；Δσ為應力幅；m、C為與材料、裂紋類型等有關的系數，描述材料疲勞裂紋擴展性能的基本參數，由實驗確定。而防噴器本體材料未見詳細的斷裂力學參數，結合《機械工程材料性能數據手冊》及ASME標準確定，取m=3，lgC=10.56。

3.2 疲勞計算分析

根據殼體強度計算結果，可以得出防噴器殼體在額定工況下殼體最大應力值，進而可得出循環(huán)應力幅。結合疲勞計算公式，參照ASME標準中疲勞設計，疲勞壽命安全系數為20，計算出防噴器的疲勞壽命(承壓次數)如表3。

表3 防噴器疲勞壽命

由表3可見，假設防噴器每次都是在滿負荷情況下(額定工作載荷)工作，雙閘板防噴器的疲勞壽命為5 571次承壓循環(huán)，遠高于標準要求的500次承壓次數。

根據防噴器的使用記錄，某年作業(yè)10口井，每口井防噴器試壓使用的頻率為8～10次。即在正常作業(yè)中，一年開關防噴器80～100次。按100次承壓循環(huán)算，雙閘板防噴器使用年限為55 a，遠大于標準要求的15 a或16 a。

以疲勞理論計算出額定工作壓力工況下的防噴器的承壓循環(huán)次數及工作年限遠大于標準中要求的指標，說明防噴器通常工作強度及頻率在實際使用中極難出現疲勞破壞情況。影響防噴器殼體使用年限首要考慮的是環(huán)境條件造成的殼體腐蝕對壽命的影響，而非殼體承受循環(huán)壓力作用而導致的疲勞破壞。

4 防噴器殼體有裂紋時疲勞壽命估算

由于井內壓力大，防噴器反復受到碰撞、沖擊等因素，殼體等部件會形成不同類型的裂紋缺陷。因此，防噴器的疲勞壽命是由疲勞裂紋的擴展速率決定。斷裂力學在防噴器缺陷評定中的應用，使防噴器的剩余壽命可通過疲勞裂紋擴展規(guī)律研究進行預測[11-12]。

4.1 疲勞裂紋擴展原理

斷裂力學的剰余壽命計算方法為：獲取裂紋的初始尺寸a0和臨界尺寸an，根據疲勞擴展公式和疲勞累積算法——Miner法則計算剩余壽命。計算防噴器殼體剩余壽命時也采用這一方法。

對于含有初始裂紋的防噴器殼體，當ΔK超過了其門檻值時，裂紋開始擴展，殼體進入有限壽命期。每一個周期的加載過程中都會增加裂紋深度，即疲勞裂紋擴展率。將裂紋從初始尺寸a0發(fā)展到臨界尺寸an所經歷的循環(huán)N稱為該裂紋的剩余壽命[13]。裂紋擴展速率由Paris式來表示。

(2)

當防噴器殼體受等幅載荷作用時，直接對疲勞裂紋擴展式積分可得到相應的疲勞壽命。防噴器殼體的壽命就是由初始裂紋a0擴展到臨界裂紋an所需要的載荷循環(huán)數Nn，積分得疲勞壽命為

(3)

式中：a為與材料、裂紋類型等有關的系數；σ為截面的應力幅值，MPa。

根據K判據，當K=K1c，可得帶裂紋防噴器殼體的臨界裂紋an為

(4)

到目前為止，對初始裂紋還沒有統(tǒng)一的定義。對于防噴器的初始裂紋，一般是通過無損檢測方法確定，將實際測得的裂紋深度，定為初始裂紋尺寸a0。

4.2 含裂紋疲勞壽命計算與分析

圖5 初始裂紋深度與承壓次數關系曲線

由圖5可知，隨著初始裂紋深度的增加，防噴器殼體的疲勞壽命(承壓次數)逐漸降低。在初始裂紋深度小于1 mm時承壓次數降低速率大，即使很小的尺寸增加都會大幅降低防噴器使用壽命，說明在防噴器的使用中要特別注意檢查微小裂紋。通過計算結果可以看出，含有初始裂紋的疲勞壽命相對比遠小于未含有裂紋的殼體疲勞壽命，說明初始裂紋的存在對防噴器殼體的壽命有決定性的影響。

文獻[5]規(guī)定，防噴器每3 a法定檢驗，進行無損檢測。以該防噴器為例，在正常作業(yè)中，1 a開關防噴器80～100次，即檢測周期為300個承壓循環(huán)。按照圖5計算結果，理論上防噴器安全使用的允許裂紋深度應該小于7.9 mm。

5 結論

1) 通過對水下雙閘板防噴器殼體進行有限元分析，獲得了在額定工作壓力下殼體的應力分布云圖和應力集中區(qū)域，并按照API SPEC 16A標準中的方法進行了強度校核，校核結果滿足標準要求。

2) 以疲勞理論計算出額定工作壓力工況下防噴器的承壓循環(huán)次數及工作年限遠大于標準的要求。說明以防噴器實際的工作強度及頻率，使用中極難出現疲勞破壞情況。

3) 含有初始裂紋的疲勞壽命遠小于未含有裂紋的殼體疲勞壽命，說明初始裂紋的存在對防噴器殼體的壽命有決定性的影響。隨著初始裂紋深度的增加，防噴器殼體的疲勞壽命(承壓次數)逐漸降低。

4) 應考慮防噴器每次開關動作對殼體的磨損、環(huán)境腐蝕等工況對殼體壽命的影響?？蛇M行防噴器開關試驗，并進行大量防噴器使用壽命的統(tǒng)計，結合防噴器使用頻率、作業(yè)環(huán)境及維護保養(yǎng)狀況，綜合確定防噴器判廢條件。

5) 本研究可為預測含表面裂紋缺陷的水下防噴器殼體的剩余壽命，制定判廢標準等提供參考。

[1] 侯國慶，許宏齊，栗京，等.F48-70型水下防噴器組研制[J].石油礦場機械，2016，45 (5)：37-42.

[2] SY/T 6160—2014，防噴器檢查和維修[S].

[3] Q/CNPC 41—2001，防噴器判廢技術條件[S].

[4] Q/SH 0164—2008，陸上井控裝置判廢技術條件[S].

[5] Q/HS 9011—2011，海洋石油鉆/修井裝置防噴器檢修指南[S].

[6] 唐洋，劉清友，杜利，等.閘板防噴器殼體應力分布試驗測試與分析[J].石油機械，2013，41 (7)：15-18.

[7] 付海龍，王金友，賈光政，等.帶壓作業(yè)閘板防噴器關鍵部件的有限元分析[J].石油機械，2008，36 (8)：25-27.

[8] API SPEC 16A—2004，鉆井通道設備規(guī)范[S].

[9] 王東，胡楠，張元洪，等.浮式平臺鉆井系統(tǒng)底座鋼結構疲勞分析[J].石油礦場機械，2016，45 (6)：42-46.

[10] ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII-Division2 Pressure Vessels—2001[S].

[11] 趙志平，李有堂，黨延祖.金屬材料疲勞設計及裂紋擴展規(guī)律研究與應用[J].石油礦場機械，2010，39 (9)：38-41.

[12] 夏天果，朱紅鈞，王攀，等.一種預測鉆柱疲勞失效的新方法[J].石油礦場機械，2011，40 (9)：6-9.

[13] 陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

ResearchoftheFatigueLifeandAbandonmentJudgmentofSubseaBOP

WU Qibing，ZHANG Shichao，GE Weifeng，ZHANG Xin，FANG Chuanxin，ZHANG Chen

(SafetyTechnologyServiceCo.，Ltd.，CNOOC，Tianjin300450，China)

There is no specialized judgment of abandonment for subsea BOP at present，and the applicability of the common index is not good enough to be used to judge the abandonment of subsea BOP.Basic on the analysis on the abandonment judgments of well control equipment in domestic and overseas，two main indexes were confirmed in this paper for abandonment judgment of subsea BOP，they are age limit and pressure bearing number respectively.It calculated the fatigue life of subsea BOP shell on the basic of strength analysis，and moreover，it analyzed the fatigue life of subsea BOP shell which has a crack defect with the Paris equation.The result shown that the subsea BOP shell can meet the strength requirement under the certain operating conditions and the test conditions；the confining cycle times and work seniority calculated from the fatigue theory under certain working pressure are much larger than the index in the standard；the fatigue life of the subsea BOP who has an initial crack is much smaller than the one who does not has an initial crack，and also with the increase of initial crack dimension，the fatigue life will decrease gradually.It provides a new clue for the research of the judgment of abandonment of subsea BOP through the analysis of fatigue life.

subsea BOP；strength；S-Ncurve；fatigue life；judgement of abandonment

1001-3482(2017)06-0001-05

2017-06-05

國家自然科學基金項目“體積壓裂管柱特殊螺紋接頭流固耦合振動機理及密封性研究”(51404198)

吳奇兵(1986-)，男，江西金溪人，工程師，碩士，現從事海洋石油鉆完井設備及工藝安全評估工作，E-mail：wuqb@cnooc.com.cn。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.001