海洋管道全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

胡艷華，唐德渝，方總濤，牛虎理，孫 勃

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300451）

0 引言

隨著海洋油氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，海洋管道在近海石油及天然氣開采運(yùn)營(yíng)中得到廣泛應(yīng)用。由于海洋環(huán)境及海上生產(chǎn)的復(fù)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(shè)計(jì)、鋪設(shè)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需要特別關(guān)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(dǎo)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(yīng)力引起的，交變應(yīng)力使管道內(nèi)部和表面的缺陷發(fā)生擴(kuò)展，最終造成管道的疲勞斷裂，迫使供油供氣中斷，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，為了保障海洋管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)其疲勞性能進(jìn)行分析研究[1-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外海洋管道疲勞研究發(fā)展很快，在疲勞計(jì)算與抗疲勞設(shè)計(jì)方面，已形成了名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法、局部應(yīng)力應(yīng)變分析法、損傷容限設(shè)計(jì)法以及疲勞可靠性設(shè)計(jì)方法等。但由于疲勞設(shè)計(jì)只能近似估算管道的疲勞壽命，因此工程應(yīng)用中多采用疲勞試驗(yàn)方法來(lái)更準(zhǔn)確地評(píng)定管道的疲勞壽命。

以前，管道疲勞試驗(yàn)方法一般采用小尺寸疲勞試驗(yàn)分析方法。該方法在試驗(yàn)過(guò)程中忽略了尺寸效應(yīng)，且試樣加工過(guò)程中釋放了焊接殘余應(yīng)力與應(yīng)力集中，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏高，實(shí)際應(yīng)用中需對(duì)其結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整與修正。因此，近年來(lái)模擬海洋管道服役載荷條件下的全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展很快，并已在國(guó)外部分重點(diǎn)工程中得到應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)外海洋管道全尺寸疲勞試驗(yàn)方法的技術(shù)現(xiàn)狀，并對(duì)國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展方向提出參考意見。

1 海洋管道焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性

海洋管道焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性是焊接接頭處同時(shí)存在焊接殘余應(yīng)力、各種焊接缺陷以及應(yīng)力集中。已有試驗(yàn)證明[5]，控制疲勞裂紋發(fā)生與擴(kuò)展的因素并非是傳統(tǒng)認(rèn)為的應(yīng)力比與最大應(yīng)力，而是應(yīng)力幅，即Δσ=σmax－σmin。不同的焊接結(jié)構(gòu)，其焊接接頭處殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)不同，其應(yīng)力幅與破壞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系不盡相同。同樣大小的應(yīng)力幅作用在不同的焊接結(jié)構(gòu)上，其能經(jīng)受的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yàn)中，需重點(diǎn)關(guān)注焊接殘余應(yīng)力與應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)管道疲勞壽命的影響。

2 海洋管道全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

海洋管道全尺寸疲勞試驗(yàn)具有耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高昂、技術(shù)難度大的特點(diǎn)，對(duì)全尺寸疲勞試驗(yàn)設(shè)備的性能要求也較高，因此該技術(shù)的發(fā)展在20世紀(jì)90年代一度受阻，研究進(jìn)展緩慢。近年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)的高速發(fā)展，管道全尺寸疲勞試驗(yàn)研究進(jìn)展較快，取得了一些突破性成果。目前，一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已在深海油氣管道鋪設(shè)工程中采用全尺寸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)海洋管道進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，并根據(jù)全尺寸疲勞試驗(yàn)得到的S—N曲線對(duì)管道進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)計(jì)算，促進(jìn)了管道全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

2.1 國(guó)外海洋管道全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1.1 英國(guó)的全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)

早在20世紀(jì)90年代，英國(guó)焊接所針對(duì)海洋管道的疲勞可靠性與安全性評(píng)價(jià)問題開展了大量研究，并將研究成果應(yīng)用于深海油氣管道鋪設(shè)工程中，為其他國(guó)家發(fā)展管道全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)奠定了參考基礎(chǔ)。

Stephen J Maddox等人[6]基于管道疲勞設(shè)計(jì)曲線，首次對(duì)海洋管道焊接接頭的全尺寸疲勞壽命進(jìn)行了試驗(yàn)研究，重點(diǎn)探討了不同焊接工藝方法對(duì)焊接接頭疲勞壽命的影響規(guī)律。試驗(yàn)采用臥式全尺寸疲勞試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)加載載荷為軸向拉伸載荷，應(yīng)力比 r=0～0.35，試驗(yàn)頻率為 3～10 Hz，焊接接頭的平均應(yīng)力為125 MPa。試驗(yàn)管道采用直徑630 mm、壁厚20 mm的API 5L X60鋼管，試驗(yàn)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(duì)焊接接頭的疲勞性能沒有影響。

（2）對(duì)于焊接接頭，計(jì)算其應(yīng)力范圍時(shí)應(yīng)考慮增加管道對(duì)接接頭錯(cuò)邊量的影響。

（3）對(duì)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(duì)于雙面焊焊接接頭，疲勞裂紋源一般產(chǎn)生于內(nèi)表面的焊趾處，且由于錯(cuò)邊的影響，外截面的應(yīng)力高于內(nèi)截面。

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

（5）管道對(duì)接接頭的錯(cuò)邊會(huì)導(dǎo)致焊趾處應(yīng)力增加，從而降低焊接接頭的抗疲勞性能，因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)嚴(yán)格控制錯(cuò)邊量。

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

2.1.2 日本的全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)

日本日立公司的Kunio Hasegawa等人[8]為了評(píng)價(jià)核電站管道系統(tǒng) （材質(zhì)ASTM A106B和ASTM A333 Gr.6，管道直徑114.3 mm，壁厚8.6 mm，管道內(nèi)壓10.9 MPa）的結(jié)構(gòu)完整性和疲勞性能，在環(huán)境溫度條件下對(duì)帶有預(yù)制缺陷的鋼管進(jìn)行了全尺寸低周疲勞試驗(yàn)。

如圖1所示，試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的全尺寸疲勞試驗(yàn)機(jī)，主要由載荷滾輪、載荷支架以及固定臺(tái)架等組成，可完成小口徑 （114.3 mm）、長(zhǎng)度為300～960 mm管道的全尺寸疲勞試驗(yàn)?？紤]到疲勞試驗(yàn)設(shè)備的加載頻率較低 （0.1 Hz），Kunio Hasegawa等人根據(jù)計(jì)算得到的最小設(shè)計(jì)壓力所需的壁厚值和ASME標(biāo)準(zhǔn)中第XI部分的周向貫穿裂紋接受標(biāo)準(zhǔn)，將管道預(yù)制缺陷設(shè)計(jì)成局部壁厚減薄。

圖1 全尺寸疲勞試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)過(guò)程中，循環(huán)載荷應(yīng)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(yàn)加載周期至252次時(shí)，試驗(yàn)管道由于疲勞斷裂失效，內(nèi)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(nèi)，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(chǎn)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(shí)，為了定性和定量反映預(yù)制缺陷對(duì)管道疲勞性能的影響規(guī)律，對(duì)比了預(yù)制缺陷管道與完整管道的低周疲勞強(qiáng)度曲線以及其循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線。結(jié)果表明：預(yù)制缺陷并未影響管道的結(jié)構(gòu)完整性，管道未在地震產(chǎn)生的應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi)發(fā)生破壞。由于管道焊接接頭處存在焊接殘余應(yīng)力，管道的全尺寸高周疲勞壽命低于ASME標(biāo)準(zhǔn)第III部分中的疲勞設(shè)計(jì)曲線要求，說(shuō)明焊接缺陷對(duì)管道的疲勞性能有很大影響，尤其是當(dāng)裂紋萌生于占疲勞壽命很大部分的高周疲勞區(qū)時(shí)。

可以說(shuō)，該研究首次通過(guò)全尺寸疲勞試驗(yàn)，研究了疲勞裂紋預(yù)制對(duì)管道疲勞壽命的影響規(guī)律，不僅克服了常規(guī)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)加載頻率過(guò)低、試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)的缺陷，而且也為后續(xù)全尺寸疲勞試驗(yàn)中疲勞裂紋預(yù)制及其擴(kuò)展機(jī)理研究奠定了參考基礎(chǔ)。

2.1.3 巴西的全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)

巴西的Miscow G F等人[9]為了評(píng)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(yàn)設(shè)備以及配套的管道彎曲疲勞模擬器。

如圖3所示，該套試驗(yàn)裝置主要包括主鋼結(jié)構(gòu)，裝有液壓驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)橫向載荷裝置，一個(gè)拉伸液壓驅(qū)動(dòng)器，提供軸向和徑向載荷的兩個(gè)端部支撐裝置，兩個(gè)液壓泵，一個(gè)用來(lái)旋轉(zhuǎn)試樣的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) （電動(dòng)機(jī)、正時(shí)皮帶、滑輪），多種測(cè)量?jī)x器（測(cè)壓元件、LVDT傳感器、壓力傳感器等），一個(gè)數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)控制系統(tǒng)。其測(cè)試原理類似于小尺寸旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)。管道類似于一個(gè)簡(jiǎn)支梁，焊縫處于梁的中間，通過(guò)兩個(gè)相同的加載裝置在距離兩端部等距離的兩點(diǎn)施加橫向載荷，在試樣的中間截面即環(huán)焊縫處產(chǎn)生一定的等值彎矩。當(dāng)加載裝置輸入交變循環(huán)的橫向載荷時(shí)，焊接接頭處在焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中等影響下，產(chǎn)生疲勞裂紋源，并最終發(fā)生疲勞失效。

試驗(yàn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖3 管道全尺寸疲勞試驗(yàn)裝置示意

表1 全尺寸疲勞試驗(yàn)裝置技術(shù)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(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)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(guò)程中可以來(lái)回滑動(dòng)，進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)。當(dāng)液壓驅(qū)動(dòng)器頂桿伸張時(shí)管道彎曲，當(dāng)液壓驅(qū)動(dòng)器頂桿緩慢回到初始位置時(shí)管道被拉直。試驗(yàn)過(guò)程中管道的彎曲面上會(huì)產(chǎn)生塑性變形，可同時(shí)承受周期性旋轉(zhuǎn)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(yàn)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(zhǎng)度約5.6 m。焊接完成后，經(jīng)射線檢測(cè)探傷合格。試驗(yàn)過(guò)程中，加載載荷通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入，控制變量通過(guò)壓式傳感器的信號(hào)給定。試樣內(nèi)部充有壓力約為0.2 MPa的氣體，當(dāng)管道內(nèi)部出現(xiàn)疲勞裂紋后壓力降低。當(dāng)管道內(nèi)部壓力下降至一定程度時(shí)，試驗(yàn)自動(dòng)停止并對(duì)管道的泄漏進(jìn)行檢測(cè)分析。由于疲勞損傷會(huì)引起管道剛度的急劇下降，因此當(dāng)液壓執(zhí)行器的壓力增加超過(guò)初始值10%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止工作。另外，為保證系統(tǒng)安全，當(dāng)電機(jī)電流超過(guò)初始值的10%時(shí)，試驗(yàn)也會(huì)自動(dòng)停止以防止電機(jī)過(guò)載。試驗(yàn)循環(huán)加載次數(shù)至106次時(shí)，管道內(nèi)部壓力急劇降低，試驗(yàn)自動(dòng)停止，此時(shí)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(fù)周期應(yīng)力加載引起，即由滑移帶上的表面塑性應(yīng)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(yīng)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(chǔ)上進(jìn)一步研究了帶有缺陷的預(yù)應(yīng)變焊接接頭在彎曲載荷下的局部變形機(jī)理。研究結(jié)果表明，高度局部化的應(yīng)變可能產(chǎn)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(jí)別的預(yù)應(yīng)變會(huì)影響材料的斷裂力學(xué)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(guò)全尺寸疲勞試驗(yàn)得出了帶有不同缺陷的預(yù)應(yīng)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(xué)的特定算法來(lái)說(shuō)明由于預(yù)應(yīng)變而產(chǎn)生的材料屬性的變化，最終來(lái)評(píng)估典型接頭的疲勞壽命，為深水立管焊接標(biāo)準(zhǔn)中疲勞性能評(píng)價(jià)技術(shù)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(yàn)技術(shù)

近年來(lái)，挪威在深海管道疲勞完整性評(píng)價(jià)領(lǐng)域取得了較多研究成果，對(duì)海洋隔水套管、立管、鉆桿等深海管道的疲勞壽命均進(jìn)行了全尺寸疲勞試驗(yàn)研究，保障了深水油氣管道的運(yùn)行安全。據(jù)報(bào)道，挪威采用的大型疲勞試驗(yàn)機(jī)主要由液壓動(dòng)力系統(tǒng)、用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的液壓伺服控制激勵(lì)器、控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及最大加載能力可達(dá)2 000 kN的動(dòng)態(tài)激勵(lì)器組成。該設(shè)備配備敏捷易于操作的加載程序，包括隨機(jī)載荷序列和可變信號(hào)帶寬，可完成溫度控制和陰極保護(hù)的海水環(huán)境全尺寸疲勞試驗(yàn)以及能進(jìn)行自動(dòng)裂紋擴(kuò)展監(jiān)控的大型結(jié)構(gòu)全尺寸模擬試驗(yàn)。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(yàn)，積累了寶貴的管道全尺寸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)與疲勞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

總結(jié)上述國(guó)外研究成果，可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）國(guó)外全尺寸疲勞試驗(yàn)機(jī)的加載試驗(yàn)范圍有限，加載管道最大直徑不超過(guò)650 mm。

（2）對(duì)于全尺寸疲勞試驗(yàn)設(shè)備，主要以臥式結(jié)構(gòu)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(yàn)類型以彎曲疲勞試驗(yàn)為主 （包括旋轉(zhuǎn)彎曲與四點(diǎn)彎曲），以軸向拉伸疲勞試驗(yàn)與內(nèi)壓疲勞試驗(yàn)為輔。

（4）各國(guó)對(duì)于全尺寸疲勞焊接接頭疲勞壽命評(píng)定的分析重點(diǎn)不太一致，但總體來(lái)講以考慮殘余應(yīng)力、應(yīng)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(guó)內(nèi)海洋管道全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，受國(guó)外全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的影響，以及出于管道疲勞安全評(píng)定的自身需求，國(guó)內(nèi)也開始逐步發(fā)展管道全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)，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(guó)內(nèi)開展了實(shí)物鋼管內(nèi)壓全尺寸疲勞試驗(yàn)研究，并基于小尺寸疲勞試樣的裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)管道剩余壽命進(jìn)行了評(píng)估、預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。試驗(yàn)管道為D 660 mm×8.7 mm的X60螺旋埋弧焊管，內(nèi)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(yàn)頻率為0.05 Hz，內(nèi)壓加載應(yīng)力比r=0.1。為縮短全尺寸疲勞試驗(yàn)周期，在試驗(yàn)管道中間外表面沿軸向預(yù)制了一個(gè)半橢圓形裂紋缺陷。研究結(jié)果表明：

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

（2）對(duì)于內(nèi)壓全尺寸疲勞試驗(yàn)，采用小尺寸疲勞試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)的管道剩余壽命與實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果基本一致，雖略微保守，但經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整，可以在實(shí)際工程中應(yīng)用。但全尺寸疲勞試驗(yàn)的結(jié)果更精確可信。

莊傳晶等人[12]在上述研究基礎(chǔ)上，采用同一套內(nèi)壓全尺寸疲勞試驗(yàn)裝置，對(duì)管道全尺寸疲勞性能進(jìn)行了細(xì)化研究。研究表明：

（1）油氣輸送管道中壓力波動(dòng)和操作啟停會(huì)加快管道疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。

（2）預(yù)制缺陷的尺寸和循環(huán)應(yīng)力幅范圍對(duì)管道疲勞裂紋生長(zhǎng)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(huì)加速疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。

（3）管道的疲勞裂紋擴(kuò)展速度隨著內(nèi)壓加載應(yīng)力比r的增加而增大。

（4）小尺寸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)須經(jīng)過(guò)修正與調(diào)整后方可在工程中應(yīng)用，對(duì)于重要的海洋管道鋪設(shè)工程，推薦采用全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行疲勞評(píng)定。

國(guó)內(nèi)西安管材所針對(duì)X60螺旋埋弧焊管，開展了全尺寸內(nèi)壓疲勞試驗(yàn)，得到了內(nèi)壓波動(dòng)對(duì)管道疲勞性能的影響規(guī)律。同時(shí)，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(yàn)得到疲勞裂紋擴(kuò)展速率，定量評(píng)價(jià)了管道的剩余壽命。上述研究，首次在國(guó)內(nèi)引入了全尺寸疲勞以及疲勞裂紋預(yù)制等概念，對(duì)于推動(dòng)國(guó)內(nèi)后續(xù)全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展起到了積極作用。

近幾年來(lái)，中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院在國(guó)內(nèi)外全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)首創(chuàng)自行設(shè)計(jì)了多功能管道全尺寸疲勞試驗(yàn)機(jī)[13]。該疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為臥式結(jié)構(gòu)，主要由機(jī)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(diǎn)或四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和最大內(nèi)壓21 MPa的壓力疲勞試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)于彎曲疲勞試驗(yàn)和內(nèi)壓疲勞試驗(yàn)，可根據(jù)實(shí)際需要單獨(dú)或同步協(xié)調(diào)加載，從而更好地滿足全尺寸疲勞試驗(yàn)管道的評(píng)定要求。

圖5 管道疲勞試驗(yàn)機(jī)布置

此外，中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)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(diǎn)彎曲與內(nèi)壓疲勞同步加載全尺寸疲勞試驗(yàn)，焊接接頭加載范圍為124～298 MPa，管內(nèi)內(nèi)壓加載范圍為0～21 MPa。通過(guò)一系列試驗(yàn)，對(duì)管道接頭在不同應(yīng)力幅范圍下的疲勞壽命有了較為全面清晰的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中，綜合考慮焊接殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中以及焊接初始缺陷等多因素影響，首次攻關(guān)解決了全尺寸疲勞裂紋預(yù)制、疲勞載荷的修正施加與載荷譜的編制擴(kuò)展等關(guān)鍵技術(shù)難題，形成了全尺寸疲勞試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試、疲勞裂紋檢測(cè)、管道多類型應(yīng)力疊加分析和疲勞性能評(píng)定等系列專有技術(shù)。依據(jù)該系列技術(shù)，工程人員可更好地掌握焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，提高管道結(jié)構(gòu)形式及接頭形式的設(shè)計(jì)水平，使所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)更合理，具有更高的抗疲勞強(qiáng)度；而且可針對(duì)焊接接頭疲勞性能較差的弱點(diǎn)，在焊接結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，防止和減少焊接缺陷的產(chǎn)生；在焊接接頭完成后以及使用過(guò)程中采取有效的工藝措施，以進(jìn)一步提高接頭的抗疲勞強(qiáng)度，增加其承受動(dòng)載的能力，延長(zhǎng)其使用壽命。

3 幾點(diǎn)建議

海洋管道疲勞是一個(gè)很重要的問題，關(guān)系到焊接結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。為了保障我國(guó)海洋管道的安全建設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)行，需要消化、吸收、利用國(guó)外已有的技術(shù)成果，通過(guò)對(duì)全尺寸疲勞試驗(yàn)設(shè)備以及疲勞試驗(yàn)理論體系的深入研究和創(chuàng)新，形成具有我國(guó)特色的全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)。為海洋管道的疲勞壽命預(yù)測(cè)與分析提供真實(shí)可靠的決策依據(jù)。

管道全尺寸疲勞試驗(yàn)研究將在今后海洋管道的疲勞評(píng)定與完整性分析領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用?？紤]到目前國(guó)內(nèi)積累的海洋管道全尺寸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)還較為有限，且疲勞測(cè)試技術(shù)還有待進(jìn)一步完善，因此筆者認(rèn)為國(guó)內(nèi)今后在發(fā)展海洋管道全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)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(yàn)類型，進(jìn)行多種類型全尺寸疲勞試驗(yàn)，如三、四點(diǎn)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(yàn)。

（2）進(jìn)一步完善應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試技術(shù)，增強(qiáng)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(jié)合局部應(yīng)力應(yīng)變分析、斷裂力學(xué)等多種理論，完善全尺寸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理與分析功能，形成更科學(xué)的疲勞評(píng)定分析體系。

（4）基于全尺寸疲勞試驗(yàn)技術(shù)，采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、優(yōu)化篩選技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，完成相關(guān)軟件的開發(fā)，并將其成功應(yīng)用于管道疲勞評(píng)定工程中，為海洋管道焊接接頭的設(shè)計(jì)、制造、施工等提供參考依據(jù)。

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