深水SCR X65管線鋼環(huán)縫無襯墊全自動(dòng)GMAW焊接接頭疲勞行為

(海洋石油工程股份有限公司， 天津300452)

0 引 言

鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser， SCR)代表著國際深海平臺(tái)立管技術(shù)的發(fā)展方向，具有以下優(yōu)勢(shì)：與柔性立管相比，其成本低；與頂張力立管相比，其對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)有較大適應(yīng)性；能適用于高溫高壓工作環(huán)境。因此，SCR取代柔性立管和頂張力立管成為深水開發(fā)的首選立管形式[1-2]。焊接技術(shù)是SCR建造的核心技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)立管，SCR焊接在坡口準(zhǔn)備、焊接、焊縫成形、接頭性能等方面都有嚴(yán)格要求，而其焊接技術(shù)開發(fā)及其工程應(yīng)用在中國尚屬空白領(lǐng)域。深水平臺(tái)的浮體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的交變載荷，必然導(dǎo)致SCR的疲勞問題，尤其環(huán)焊縫部位更是疲勞壽命的最薄弱環(huán)節(jié)[3-5]。因此，對(duì)SCR進(jìn)行焊接工藝開發(fā)和疲勞性能研究具有十分重要的意義。

本文采用自主開發(fā)的深水SCR X65管線鋼環(huán)縫無襯墊全自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊(Gas Metal Arc Welding, GMAW)焊接工藝進(jìn)行SCR環(huán)縫焊接，并開展焊接接頭的疲勞試驗(yàn)，將疲勞試驗(yàn)結(jié)果與API RP 2A-WSD對(duì)SCR疲勞性能的要求進(jìn)行比較，證明所采用的焊接工藝能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用標(biāo)稱外徑為355.0 mm、標(biāo)稱厚度為19.1 mm的X65管線鋼。X65管線鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 API X65管線鋼化學(xué)成分 %

表2 API X65管線鋼力學(xué)性能

1.2 焊接工藝

采用無襯墊全自動(dòng)GMAW焊，焊接材料為ER70S-6，焊絲直徑為1.0 mm，保護(hù)氣體為80%氬氣和20%二氧化碳混合氣，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

1.3 疲勞試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中，在所有立管上切取小尺寸試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。小試樣的取樣方案為按圓周依次取樣并依次編號(hào)。焊接殘余應(yīng)力的存在降低立管接頭的疲勞性能[6]，切取小試樣的過程必將引起焊接殘余應(yīng)力的釋放。為補(bǔ)償釋放掉的殘余應(yīng)力，使用便攜式X射線衍射儀對(duì)立管表面焊縫和熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)點(diǎn)分布位置為焊縫中心，焊縫兩側(cè)焊趾，焊趾外側(cè)5 mm、10 mm、15 mm和20 mm位置。

小尺寸試件的試驗(yàn)應(yīng)力水平以API RP 2A-WSD規(guī)定的全尺寸試件的應(yīng)力水平和在殘余應(yīng)力測(cè)試中取得的焊縫及熱影響區(qū)的最大拉伸殘余應(yīng)力疊加來確定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定固定平均應(yīng)力為140 MPa，動(dòng)載為175 MPa、120 MPa、80 MPa等3個(gè)應(yīng)力水平。出于保守考慮，選取測(cè)得殘余拉應(yīng)力最大值260 MPa進(jìn)行載荷補(bǔ)償。在試驗(yàn)中固定靜載即平均應(yīng)力為400 MPa，動(dòng)載分別為175 MPa、120 MPa、80 MPa，在每種應(yīng)力水平下試件個(gè)數(shù)分別為45、47、47，共139個(gè)試件。依據(jù)試驗(yàn)參數(shù)和高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)載荷量程確定小試樣的尺寸，如圖1所示。

圖1 疲勞試樣取樣位置及尺寸圖

疲勞試驗(yàn)設(shè)備為GPS300型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，其最大靜載為300 kN，最大動(dòng)載為150 kN。試驗(yàn)機(jī)靜載精度滿量程為±0.2%，動(dòng)載振幅波動(dòng)度滿量程為±2%。疲勞載荷的加載方式為軸向加載，當(dāng)疲勞壽命達(dá)到107時(shí)停止試驗(yàn)，認(rèn)為試樣達(dá)到疲勞極限，未發(fā)生斷裂。

1.4 疲勞數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

按照相關(guān)國際焊接學(xué)會(huì)文件中疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法規(guī)定的統(tǒng)計(jì)方法處理試驗(yàn)中的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

疲勞數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法的前提是假設(shè)疲勞試驗(yàn)結(jié)果符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，然后用具有斜率m且分別對(duì)應(yīng)K倍正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差的兩條標(biāo)稱S-N曲線形成數(shù)據(jù)分散帶。特征值Ck(K指標(biāo))是指存活概率95%和置信度95%時(shí)的標(biāo)稱值。

標(biāo)稱值通過下述過程計(jì)算：

(1) 計(jì)算所有疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)力范圍Δσ以及循環(huán)周次N以10為底的對(duì)數(shù)值。

(2) 采用冪函數(shù)回歸模型計(jì)算指數(shù)m和logC值，計(jì)算式為

mlogΔσ+logN=logC

(1)

(3) 設(shè)Ci是第i組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)值，利用所獲得的m值，計(jì)算logC的平均值Cm和標(biāo)準(zhǔn)偏差e：

Cm=∑Cin

(2)

(3)

式中：n為試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

(4) 計(jì)算特征值Ck為

Ck=Cm-K·e

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，對(duì)于圓周方向的不同位置，橫向焊接殘余應(yīng)力在焊縫中心附近為壓應(yīng)力，在焊趾和焊趾附近母材區(qū)域則為較大拉應(yīng)力。出于保守考慮，選取測(cè)得殘余拉應(yīng)力最大值260 MPa進(jìn)行載荷補(bǔ)償。

圖2 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

圖3 S-N曲線

圖4 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)與API RP 2A-WSD標(biāo)準(zhǔn)比較

2.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

將疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所得參數(shù)如表4所示，繪制為S-N曲線如圖3所示。

表4 S-N曲線擬合參數(shù)

圖5 疲勞試樣斷裂位置

將疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)與API RP 2A-WSD標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，X65管線鋼環(huán)縫無襯墊GMAW焊接接頭疲勞壽命最低值和平均值均高于API RP 2A-WSD標(biāo)準(zhǔn)的最低值和平均值要求。

2.3 疲勞試件斷裂位置

在139個(gè)疲勞試件中，78個(gè)試件從蓋面焊縫焊趾起裂，6個(gè)試件從根部焊縫焊趾起裂，55個(gè)試件未發(fā)生斷裂，試件斷裂以蓋面焊縫焊趾起裂為主，這主要是由于根部焊縫成形優(yōu)于蓋面焊縫。典型的蓋面焊縫焊趾起裂和根部焊縫焊趾起裂如圖5所示。

采用掃描電鏡對(duì)疲勞斷口進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在部分試件蓋面焊縫焊趾處存在微咬邊缺陷，根部焊縫存在微小未熔合缺陷，深度均小于100 μm，屬于通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的合格焊接缺陷。圖6為典型的疲勞斷口形貌，圖6 a)焊趾存在長度約130 μm、最大深度約30 μm的咬邊缺陷，圖6 b)存在深度約50 μm的未熔合缺陷。

圖6 疲勞斷口

3 結(jié) 論

本文對(duì)X65管線鋼環(huán)縫無襯墊全自動(dòng)GMAW焊接接頭開展疲勞試驗(yàn)，通過對(duì)疲勞結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) X65管線鋼環(huán)縫無襯墊全自動(dòng)GMAW焊接接頭在高、中、低3個(gè)應(yīng)力水平下的疲勞壽命最低值和平均值均高于API RP 2A-WSD標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2) 由于根部焊縫成形優(yōu)于蓋面焊縫成形，疲勞斷裂以蓋面焊縫焊趾斷裂為主。

(3) 在部分試件蓋面焊縫焊趾處存在微咬邊缺陷，根部焊縫存在微小未熔合缺陷，尺寸均小于100 μm。