海洋柔性立管疲勞試驗(yàn)及其失效檢測(cè)探究

趙 林，段文靜

（中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東　青島　266100）

海洋柔性立管疲勞試驗(yàn)及其失效檢測(cè)探究

趙 林，段文靜

（中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東青島266100）

API 17B規(guī)范指出海洋管道若想在海洋立管領(lǐng)域得到應(yīng)用，要通過(guò)包括壓潰、拉伸、打壓及疲勞等各種試驗(yàn)的驗(yàn)證。其中疲勞試驗(yàn)是最關(guān)鍵，也是最復(fù)雜的試驗(yàn)。通過(guò)查閱API系列規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了海洋立管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際運(yùn)營(yíng)中所受循環(huán)荷載效應(yīng)，通過(guò)對(duì)海洋立管進(jìn)行疲勞分析、疲勞試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)失效檢測(cè)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等方面的分析探討，最終形成一套驗(yàn)證海洋柔性立管性能及其可靠性的系統(tǒng)方法。

海洋立管；疲勞試驗(yàn)；失效；檢測(cè)方法

海洋油氣管道是海洋工程結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，可大體分為海洋水平管和海洋立管。其中，海洋水平管鋪設(shè)在海底，在海底對(duì)海底油氣進(jìn)行運(yùn)輸；海洋立管鋪設(shè)在海底水平管和海洋平臺(tái)之間，負(fù)責(zé)將海底油氣資源運(yùn)輸?shù)胶Ｑ笃脚_(tái)。

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，為驗(yàn)證海洋立管設(shè)計(jì)的的規(guī)范性、完整性和相關(guān)力學(xué)性能夠承受相關(guān)服役海況，并保障海洋管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)其疲勞性能進(jìn)行分析研究是必需的且必須受到相關(guān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和工程施工方的重點(diǎn)關(guān)注［1-4］。

1　海洋立管

1.1海洋立管結(jié)構(gòu)

海洋立管的主要結(jié)構(gòu)包括骨架層、抗壓層、抗拉層、聚合物層等，每層結(jié)構(gòu)有其特殊的作用。圖1是Wellstream公司所生產(chǎn)的一種海洋輸油管道的結(jié)構(gòu)圖［5］。

圖1　海洋管道結(jié)構(gòu)圖

其中，各結(jié)構(gòu)層的作用為：

骨架層（carcass）:互鎖金屬層，抵抗外壓荷載。

內(nèi)壓層（internal pressure）:聚合物層，保證內(nèi)部流體的完整性。

抗壓層（pressure armor）:互鎖金屬層，承受內(nèi)壓荷載。

防磨層（anti-wear）:位于金屬層與金屬層間，減少金屬之間的摩損。

抗拉層（tensile armor）:使用平的、圓的或成形的金屬線，纏繞角為20°～60°，纏繞層數(shù)一般為2～4層。而無(wú)抗壓層的柔性管道，其纏繞角一般在55°左右，以此來(lái)達(dá)到扭轉(zhuǎn)平衡、平衡軸向及環(huán)向荷載。

外套層（outer sheath）:聚合物層，阻止外部流體進(jìn)入柔性管結(jié)構(gòu)。

在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用戶可以根據(jù)自身的特殊需要來(lái)增加、減少相關(guān)的層數(shù)。比如，可以加入絕熱層來(lái)減少流體溫度的損失［6］。

1.2循環(huán)荷載效應(yīng)

在油氣輸送系統(tǒng)中，為保證海洋立管安全可靠地完成油氣輸送任務(wù)，必須考慮到所有相關(guān)的循環(huán)荷載效應(yīng)，為其疲勞分析、設(shè)計(jì)疲勞工況以及研究立管性能提供參考依據(jù)。根據(jù)API RP f204規(guī)范［7］中的敘述，可以將循環(huán)荷載效應(yīng)分為如下幾個(gè)方面：

（1）一階波效應(yīng)（直達(dá)波荷載和相關(guān)的浮式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)）；

（2）二階浮式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；

（3）渦激振動(dòng)；

（4）熱力和壓力誘發(fā)應(yīng)力循環(huán)；

（5）碰撞；

（6）備件和其他深水浮式結(jié)構(gòu)的浮子船體渦激振動(dòng)運(yùn)動(dòng)；

（7）管內(nèi)流體重?fù)粜?yīng)；

（8）其他概念特定荷載條件，比如張力腿平臺(tái)的起拱運(yùn)動(dòng)；

（9）制造和安裝荷載。

2　海洋立管疲勞試驗(yàn)

2.1海洋立管疲勞分析

為確保立管能完成預(yù)期的功能，對(duì)海洋立管進(jìn)行詳細(xì)的疲勞分析是必要的也是必須的，其中必須要充分考慮立管所受疲勞荷載的影響。表1顯示了立管疲勞分析設(shè)計(jì)中的典型順序?；赟-N曲線或者也可基于斷裂力學(xué)的疲勞分析需要滿足的疲勞準(zhǔn)則可表示為［7］：

式中：Dfat=累積疲勞損傷（帕姆格倫-邁因納定理）；DFF=設(shè)計(jì)疲勞系數(shù)表。

表1　典型疲勞分析程序總結(jié)

2.2疲勞試驗(yàn)

根據(jù)API 17B［8］的要求，試驗(yàn)樣管疲勞試驗(yàn)的受力形式為：在一種工況作用下，一端受循環(huán)彎曲作用，一端受固定拉力作用。在動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試中，有兩種類型的全尺度疲勞測(cè)試，一種是動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試；一種是服務(wù)壽命的模型驗(yàn)證。動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試的目的是：依據(jù)規(guī)范，獲得在設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)下管道最終的結(jié)構(gòu)狀況；服務(wù)壽命的模型驗(yàn)證的目的是：依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證管道設(shè)計(jì)的保守性。其中動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試需要完成累計(jì)損傷率為0.1所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)工況，服務(wù)壽命的模型驗(yàn)證需要完成累計(jì)損傷率為1.0所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)工況。

海洋立管在受到海洋環(huán)境荷載產(chǎn)生交變運(yùn)動(dòng)時(shí)，抗拉層的鎧裝鋼絲結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化尤為明顯，是疲勞研究的重點(diǎn)［9］。

疲勞試驗(yàn)機(jī)模型主要有兩種形式：臥式和立式，如圖2所示：

圖2　疲勞試驗(yàn)機(jī)模型

在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中，如果結(jié)構(gòu)層中有明顯的損傷但是沒(méi)有導(dǎo)致管層的失效，那么動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試將繼續(xù)進(jìn)行；在服務(wù)壽命模型驗(yàn)證試驗(yàn)中，如果無(wú)損檢測(cè)沒(méi)有顯示明顯的損傷，那么試驗(yàn)也可以繼續(xù)進(jìn)行［8］。

2.3驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

API 17B中，對(duì)結(jié)構(gòu)層的失效及明顯損傷的定義，如表2所示［7］：

表2　接受標(biāo)準(zhǔn)—仿真實(shí)驗(yàn)

其中，對(duì)接受標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)概念的解釋如表3：

表3　相關(guān)概念

2.4疲勞失效檢測(cè)

2.4.1滲漏檢測(cè)試驗(yàn)樣管要順利通過(guò)疲勞試驗(yàn)的最基本的要求是在沒(méi)有出現(xiàn)滲漏的條件下，完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工況。

管道滲漏檢測(cè)的方法可以分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法兩種。直接檢測(cè)法，又稱基于硬件檢測(cè)的方法，是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巡視或其他硬件手段直接檢測(cè)出石油或石油產(chǎn)品滲漏的方法，這種方法操作簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀且易于定位，但需要耗費(fèi)大量的物力、人力；結(jié)果受人為因素干擾大；不利于事故的應(yīng)急處理；間接檢測(cè)法，又稱基于軟件檢測(cè)的方法，是檢測(cè)因滲漏造成的壓力、流量等物理參數(shù)發(fā)生變化的方法，這種方法原理簡(jiǎn)單，利于觀察滲漏的發(fā)生，但是不易定位滲漏位置［10］。

在疲勞試驗(yàn)的滲漏檢測(cè)方法中，直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法相輔相承，其操作方法都值得借鑒。其具體操作如下：

第一，直接檢測(cè)法是通過(guò)看、聞、聽(tīng)來(lái)直接觀察管子是否有液體滲漏發(fā)生。若試驗(yàn)樣管出現(xiàn)管內(nèi)液體向外滲漏，地面不斷有液體積累，說(shuō)明試驗(yàn)樣管出現(xiàn)滲漏，應(yīng)立即停止試驗(yàn)。

第二，間接檢測(cè)法是通過(guò)監(jiān)測(cè)安放在拉伸液壓缸位置的壓力傳感器傳出的管子內(nèi)壓值的變化，來(lái)判斷管子是否出現(xiàn)滲漏。若管內(nèi)壓力急劇變化，說(shuō)明試驗(yàn)樣管出現(xiàn)滲漏。

試驗(yàn)過(guò)程中，若樣管出現(xiàn)滲漏，說(shuō)明管子失效，應(yīng)立即停止試驗(yàn)。

2.4.2圓度檢測(cè)在骨架層和抗壓層的失效情形之一為自鎖消失導(dǎo)致管子在任意平面內(nèi)彎曲超過(guò)儲(chǔ)存彎曲半徑使內(nèi)部壓力層失效。對(duì)試驗(yàn)樣管進(jìn)行圓度監(jiān)測(cè)，可以驗(yàn)證骨架層和抗壓層的圓度是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

圓度測(cè)試的方法有接觸式和非接觸式兩種。接觸式檢測(cè)法，主要使用具有連桿機(jī)構(gòu)的滾輪法，其使用的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且零件更換容易，成本低廉，但易受到外界因素的影響，檢測(cè)速度較慢，不適用于圓度精度要求高的產(chǎn)品；非接觸式檢測(cè)法，主要有激光測(cè)量技術(shù)、圖像測(cè)量技術(shù)，受環(huán)境影響小，由于不和被測(cè)物接觸，所以不受被測(cè)物體表面形狀、不潔度等因素的影響，適用于圓度精度要求高的產(chǎn)品，但價(jià)格較昂貴，且國(guó)內(nèi)技術(shù)相對(duì)落后，依賴進(jìn)口［11-12］。

由于試驗(yàn)樣管在限彎器的端部位置是最危險(xiǎn)的點(diǎn)，每種試驗(yàn)工況結(jié)束后，都需要借助管道圓度儀在該位置進(jìn)行圓度監(jiān)測(cè)，若圓度大于抵抗壓潰的設(shè)計(jì)值，說(shuō)明管子失效。

2.4.3軸向剛度檢測(cè)抗壓層的失效情形之一為管道軸向剛度比開(kāi)始測(cè)試時(shí)減小20%，因此需要對(duì)試驗(yàn)樣管的抗拉層的軸向剛度進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證其減少量在規(guī)定的范圍之內(nèi)。

在抗拉層軸向剛度檢測(cè)問(wèn)題上，通過(guò)調(diào)研，總結(jié)出兩個(gè)思路：

一是通過(guò)拉伸液壓缸的位移判斷軸向剛度的變化，操作簡(jiǎn)單且結(jié)果直觀，在實(shí)際的認(rèn)證檢驗(yàn)過(guò)程中，該方法為通用做法。

二是借助應(yīng)變片或光纖光柵傳感器在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)輸出立管的應(yīng)變值，并結(jié)合其所受的拉力值，根據(jù)軸向剛度的式（2）推導(dǎo)出抗拉層軸向剛度的變化。由于傳感器安裝復(fù)雜，結(jié)果的準(zhǔn)確度難把握，該做法一般是在科研需要時(shí)才加上去，在實(shí)際的認(rèn)證檢驗(yàn)過(guò)程中是不需要。

式中：EA為軸向剛度；T為拉力；ε為應(yīng)變。

2.4.4鋼帶斷裂檢測(cè)骨架層、抗壓層的失效情形之一是出現(xiàn)穿透性裂紋，抗拉層的失效情形之一是在任意層上鎧裝線斷裂數(shù)多于5%。實(shí)際生產(chǎn)中，管子內(nèi)部鋼帶斷裂是很正常的。當(dāng)管子內(nèi)部一根鋼帶斷裂，并不表示管子失效。

通過(guò)調(diào)研，本文總結(jié)了兩種檢測(cè)鋼帶斷裂的方法：

一是通過(guò)安裝聲納系統(tǒng)來(lái)判斷鋼帶是否斷裂。由于鋼帶斷裂時(shí)，聲音是很大的，當(dāng)鋼帶斷裂時(shí)，聲納系統(tǒng)的聲譜曲線會(huì)有一個(gè)大的波形。試驗(yàn)中，可以通過(guò)觀察聲譜曲線的變化來(lái)監(jiān)測(cè)是否有剛斷斷裂，同時(shí)根據(jù)異常波形的個(gè)數(shù)，來(lái)判斷鋼帶斷裂的根數(shù)。這也是國(guó)際上較通用的做法。

二是通過(guò)無(wú)損探傷方法來(lái)檢測(cè)。無(wú)損檢測(cè)是在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能的前提下，采用射線、電磁等原理技術(shù)儀器對(duì)材料進(jìn)行缺陷、化學(xué)、物理參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)前期的調(diào)研，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)部金屬構(gòu)件出現(xiàn)穿透性裂縫或厚度方向出現(xiàn)凹槽，可以通過(guò)無(wú)損檢測(cè)觀察到缺陷，圖3是調(diào)研圖片。

圖3　無(wú)損檢測(cè)

因?yàn)樵囼?yàn)樣管在限彎器端部位置是最危險(xiǎn)位置，試驗(yàn)中對(duì)試驗(yàn)管子的該位置進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。借助專用評(píng)片尺，圖4所示，對(duì)無(wú)損探傷結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，確定破壞出現(xiàn)在哪一層結(jié)構(gòu)并記錄抗拉層斷裂根數(shù)。

圖4　專用評(píng)片尺

2.4.5靜水壓試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)中，每種試驗(yàn)工況結(jié)束后需要對(duì)試驗(yàn)樣管進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。所加的壓力至少是設(shè)計(jì)壓力的1.25倍。

試驗(yàn)中，靜水壓試驗(yàn)依據(jù)API 17J的規(guī)定進(jìn)行。靜水壓試驗(yàn)時(shí)，壓力必須逐步增加，速度不能快于生產(chǎn)商的試驗(yàn)程序，為靜液壓試驗(yàn)值100%或110%，為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，壓力必須保持2 h。最大靜液壓測(cè)試時(shí)不得使利用系數(shù)超過(guò)允許范圍。如果可以的話，壓力值測(cè)試必須在其穩(wěn)定后往復(fù)循環(huán)進(jìn)行。當(dāng)壓力1 h內(nèi)下降不到1%時(shí)，必須視為壓力穩(wěn)定。壓力應(yīng)在最小壓力值和最大壓力值范圍之間增強(qiáng)［14］。

靜水壓試驗(yàn)時(shí)間必須不少于24 h，在使用期間，壓力和溫度（外部和內(nèi)部）至少每30 min記錄一次，降壓的速度必須根據(jù)制造商的試驗(yàn)程序。壓力下降是由于許多因素，如外部溫度的浮動(dòng)，但在24 h試驗(yàn)時(shí)間的開(kāi)始時(shí)，必須不能下降壓力值的4%。壓力試驗(yàn)過(guò)程中必須觀察軟管沒(méi)有裂縫。在接頭區(qū)域必須保證沒(méi)有永久性變形或是損毀。

2.4.6扭轉(zhuǎn)檢測(cè)抗拉層的失效情形之一是在現(xiàn)場(chǎng)水壓測(cè)試中，扭矩的失衡大于1°/m（一端自由旋轉(zhuǎn)）。因此試驗(yàn)中要對(duì)抗拉層的扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行推算，驗(yàn)證其是否在規(guī)定范圍內(nèi)。按照API 17B的規(guī)定，需要對(duì)樣管的扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量。

軸扭效應(yīng)的測(cè)量，通常有兩種途徑：一是測(cè)軸的扭轉(zhuǎn)角，二是測(cè)軸的扭應(yīng)變。測(cè)量軸的扭轉(zhuǎn)角需要用到光柵傳感器或者磁柵傳感器，而測(cè)量軸的扭應(yīng)變需要用到遙測(cè)應(yīng)變儀。在測(cè)量軸的扭轉(zhuǎn)角時(shí)，采用光柵測(cè)量扭轉(zhuǎn)角度時(shí)，兩光柵盤不能隔的太遠(yuǎn)，以免因光的衍射無(wú)法形成條紋，磁柵雖可以任意測(cè)量?jī)山孛娴呐まD(zhuǎn)角，但對(duì)磁柵的材質(zhì)要求高，并且要求擁有一套錄磁設(shè)備；在測(cè)量軸的扭應(yīng)變時(shí)，采用的遙測(cè)應(yīng)變儀解決了軸旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)變信號(hào)的導(dǎo)出問(wèn)題，并且電阻應(yīng)變片的頻寬又極高，其測(cè)軸扭應(yīng)變是可行的，但是其要求有足夠的安裝區(qū)域，并且質(zhì)量較大，對(duì)軸的動(dòng)特性影響較大［13］。

采用光電轉(zhuǎn)換式軸類扭轉(zhuǎn)角動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量管道的扭轉(zhuǎn)角。在管道兩端截面分別固定兩個(gè)刻線相同的光柵盤，保證兩光柵盤上的相對(duì)刻線對(duì)齊。在現(xiàn)場(chǎng)靜水壓測(cè)試時(shí)，兩光柵盤錯(cuò)動(dòng)，相對(duì)的刻線之間會(huì)產(chǎn)生相位角，利用光電轉(zhuǎn)換的方式將其檢出并轉(zhuǎn)化成可記錄的信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)管道的瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)角。

靜水壓試驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)并記錄抗拉層的扭轉(zhuǎn)角度。在現(xiàn)場(chǎng)水壓測(cè)試中，扭矩的失衡大于1°/m（一端自由旋轉(zhuǎn)），說(shuō)明管子失效。

3　結(jié)論

疲勞試驗(yàn)是海洋管道應(yīng)用于海洋立管領(lǐng)域最關(guān)鍵的、最復(fù)雜的驗(yàn)證試驗(yàn)。在API 17B中規(guī)定了海洋立管疲勞試驗(yàn)的相關(guān)要求，并對(duì)海洋立管的骨架層、抗壓層和抗拉層的失效形式給出相關(guān)定義。但是對(duì)于海洋立管疲勞試驗(yàn)后的失效檢測(cè)方法，規(guī)范沒(méi)有給出詳細(xì)的介紹，本文對(duì)失效檢測(cè)的方法進(jìn)行探究是有意義的。

根據(jù)立管荷載分析及疲勞分析，對(duì)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的海洋立管進(jìn)行滲漏檢測(cè)、圓度檢測(cè)、軸向剛度檢測(cè)、鋼帶斷裂檢測(cè)、扭轉(zhuǎn)檢測(cè)及靜水壓試驗(yàn)，最終根據(jù)相關(guān)失效標(biāo)準(zhǔn)判斷海洋立管是否失效，從而保證海洋立管在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中能夠達(dá)到安全可靠的疲勞壽命，根據(jù)此過(guò)程進(jìn)行海洋立管疲勞試驗(yàn)，形成一套合理的失效檢測(cè)系統(tǒng)方法，對(duì)于我國(guó)海洋立管疲勞分析具有一定的借鑒意義，并對(duì)海洋管道實(shí)際工程中有指導(dǎo)意義。

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Research on the Fatigue Test and Detection Method for Marine Flexible Risers

ZHAO Lin，DUAN Wen-Jing
College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong Province，China

In the API 17B criterion，the marine pipe can be used in the field of marine standpipe after being verified by all kinds of prototype testing，including press test，tension test，pressure test and fatigue test.The dynamic fatigue test is the most important and also the most complex test.By consulting the API series criteria and related documents，this paper summarizes the structural characteristics and cyclic loading effects of marine standpipes.It also conducts analysis and discussion on the fatigue analysis，fatigue test，fatigue test failure detection and acceptance criteria for marine standpipes.Finally，a system is developed to verify the performance and reliability of marine flexible standpipes.

marine standpipe；fatigue test；failure；detection method

P756.2

A

1003-2029（2016）03-0109-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.021

2015-09-14

趙林（1964-），男，碩士，副教授，主要研究方向海洋工程、水利工程。E-mail：zl_qingdao@163.com