海底管道焊接接頭疲勞壽命仿真分析

吳振宇 徐永昌 劉軍 王立權

摘要：文章結合《管道及有關設施的焊接》（API 1104-2001）以及挪威標準《海洋管道系統》（DNV-OS-F101），運用有限元法分析了焊接坡口角度大小對焊接接頭疲勞壽命的影響，并獲得較佳的焊接坡口角度，為以后焊接工藝提供參考，最后運用Miner損傷定則對管道使用壽命進行了計算，驗證焊接工藝的可行性。

關鍵詞：海底管道；X80鋼；交變載荷；焊接接頭；疲勞壽命；有限元 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE973 文章編號：1009-2374（2016）05-0077-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.039

隨著能源工業以及海洋勘探、開采的迅速發展，資源開發從陸地轉移到海洋，并且從常規水深（小于500m）向深水（500～1500m）乃至更深層的水域（大于1500m）發展，深層次的海洋開發正逐步成為世界石油工業的主要增長點和競爭點。海底管道是海上石油運輸的主要方式之一，由于海底管道所處環境非常復雜，會受到多種載荷的作用，其中輸油載荷海底管道承受的主要載荷，這些載荷對管道的壽命以及海油工程的安全性具有重要影響。在海油工程中受市場供需以及輸油技術造成的啟停等原因，管道的輸油壓力會發生周期性的波動，對管道產生周期性的交變應力。在此交變載荷的作用下，管道由于工藝等原因造成的原始缺裂紋會發生疲勞擴展，最終引發管道的疲勞斷裂。焊接是海底管道接頭常用的連接方式，焊接部位由于焊接工藝以及材料上的缺陷，是管道結構中最容易發生破壞的薄弱環節。在受到油液的交變載荷時常會發生疲勞失效，因此對焊縫疲勞壽命分析是預防疲勞損壞和疲勞失效故障的首要前提，而焊接坡口角度的大小是焊接工藝中很重要的參數，本文采用有限元的方法進行焊接坡口角度對焊縫疲勞壽命的影響研究。

1 管道選取及載荷分析

1.1 管道載荷分析

海底管道在輸油過程中會受多種載荷的作用，主要受管道的內壓和外壓。本文對雙層管疲勞壽命進行研究，故只考慮內壓，且暫不考慮管道受到的其他載荷和溫度影響。管道的疲勞失效通常是由管道受到的各種交變應力引起的，用R表示交變應力變化程度，R等于輸油壓力最小值與最大值之比，根據輸油實際情況在0.1～0.6之間。當交R接近于0.1時，相當于多次啟停供油或反復進行壓力試驗等情況；當R接近于0.6時，相當于在正常輸油過程中油壓發生壓力波動的情況。在對管道進行疲勞分析時，必須綜合考慮這兩種工況，以使分析結果更接近實際情況。

實際管道的額定輸油壓力為34.5MPa，取管道輸油最大壓力為34.5MPa。管道輸油過程中由壓力波動引起的應力循環峰值，選取為輸油壓力為34.5MPa時所產生的應力。

1.2 管道參數選取

考慮到油田水下采油環境及管道受載情況，并對美國標準《管道及有關設施的焊接》（API 1104-2001）以及挪威標準《海洋管道系統》（DNV-OS-F101）相關技術標準進行考核，采用API X80焊接管線。根據AIP 1104標準規定的焊接材料與母材高強匹配的原則，選擇了與母材強度相匹配的焊接材料。根焊焊條采用日本產LB-52U低氫型焊條（符合AWS A5.1 E7016）。

填充、蓋面焊選用的焊絲為HOBART FABSHIELD X80（符合AWS A5.29 E81T8-Ni2J）。此型號焊絲具有較強的抗低溫沖擊性能。根據API Spec 5L規定的X80管線鋼力學性能如表1所示：

2 有限元模型建立與計算

2.1 有限元模型建立

采用V型坡口進行焊接，由于X80鋼的壁厚一般都比較大，所以在考慮坡口角度時，取的數值比較小，為40°～50°。分別取坡口角40°、50°、60°進行建模與分析。

運用ANSYA軟件建立整個管道及焊縫的有限元網格模型，對管道采用六面體單元劃分網格，對焊縫采用四面體單元劃分網格，在邊界處進行網格單元節點的連接。

管道及焊材具有好的韌性，故采用Gerber理論對其進行擬合與分析。

焊接接頭及管道要進行磨平處理，表面較光滑，應力集中相對較小，根據取疲勞強度因子1.5進行分析。

2.2 有限元結果分析

2.2.1 交變載荷下的焊縫應力分析結果。

圖1中從左到右依次為焊縫坡口為40°、50°、60°時的焊縫及管道應力云圖。受有限元建模時模型固定位置選取的影響，會在管道兩端面出現應力較大的現象，但實際并非如此，且這樣建模對焊縫應力計算影響較小，故忽略靠近管道兩端的應力。

焊接接頭最大應力發生在焊材與母材接觸的熔融區，發生位置受坡口角度影響較小，但坡口角度對焊縫處應力值影響較大，當坡口角度為60°時應力最大，應力值約200MPa；坡口角度為50°時應力最小，應力值約為149MPa。

2.2.2 疲勞壽命分析結果。當管道內油液脈動壓力比為R=0.6時，焊接接頭壽命分析結果：

圖2為交變應力比R=0.6情況下，從左到右依次為坡口角度為40°、50°、60°時的焊縫及管道疲勞壽命云圖。

在應力比R=0.6時，當坡口角度為60°時疲勞損傷最大，循環次數達到89059次時發生疲勞失效。當坡口角度為50°時疲勞損傷最小，循環次數達到189410次時發生疲勞失效。可知焊縫坡口角度過大或過小都會加速疲勞斷裂發生。

當管道內油液脈動壓力比R=0.1時，焊接接頭壽命分析結果如下：

圖3為交變應力比R=0.1情況下，從左到右依次為坡口角度為40°、50°、60°時的焊縫及管道疲勞壽命云圖。

在應力比R=0.1時，當坡口角度為60°時疲勞損傷最大，循環次數達到62781次時發生疲勞失效。當坡口角度為50°時疲勞損傷最小，循環次數達到134040次時發生疲勞失效。可得焊縫坡口角度過大或過小都會加速疲勞斷裂的發生。

通過兩種工況下的疲勞壽命分析，知在應力比R較小時更易發生疲勞失效。

3 管道壽命分析

運用Miner損傷定則對管道疲勞壽命進行計算。

Miner損傷定則：若構件在給定循環應力作用下的疲勞斷裂總壽命為，則在此循環應力下循環1次，其壽命要縮短，1次應力循環所產生的損傷D定義為D=。顯然，若零件在此循環應力下循環次，則損傷D=1，零件發生疲勞斷裂。對海底X80焊管焊接接頭進行疲勞壽命分析時，應采用Miner線性累積損傷定則。Miner線性損傷定則公式如下：

式中：D為結構斷裂是發生的總損傷，N1、N2為結構在應力σ1、σ2下發生斷裂時的總壽命循環次數。n1、n2為材料在σ1、σ2下的循環次數。

根據深海管道輸送油液的實際情況，油液輸送過程發生壓力波動（即應力比R=0.6）每年疲勞壽命循環周次為1000次，由于管道維修或其他原因發生的輸油啟停（應力比R=0.1）每年疲勞壽命循環周次為50次，由于實際焊接過程有一定的隨機性，為安全考慮，在進行疲勞壽命預測時取安全系數為6，根據上述條件對管道焊接接頭綜合疲勞壽命進行計算。根據公式可計算得管道焊接接頭使用年限如表4所示：

根據海底管道使用年限要求為20年，采用以上焊接工藝焊接時均能滿足工程設計要求，但采用坡口角50°焊接工藝焊接能使用更長年限。

4 結語

（1）在兩種工況下，焊縫坡口角大小對接頭的使用壽命影響大致相同，坡口角度過大或過小都會加速焊接結構的疲勞斷裂，當坡口角度為60°時疲勞損傷最大；當坡口角度為50°時疲勞損傷最小，且在應力比R較小時更易發生疲勞，這對以后海底管道的焊接工藝具有一定的指導意義；（2）海油輸送過程中壓力波動對管道的疲勞壽命有顯著的影響。在實際輸油過程中應盡量減少油壓的波動，更應減小油壓的波動幅度；（3）基于X80焊管焊接接頭材料力學性能和管道載荷譜，通過ANSYS軟件進行有限元分析，并按照Miner累積損傷定則，估算了海底管道焊縫的疲勞壽命。在R值為0.1和0.6兩種工況下，焊接接頭的疲勞壽命均超過20年，滿足海底管道設計壽命要求。

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基金項目：十二五國家科技重大專項：荔灣3-1及周邊氣田水下管道回接技術及配套裝備應用研究（課題編號：2011ZX05056-002-03）。

（責任編輯：黃銀芳）