深水SCR X65管線鋼環(huán)縫無襯墊全自動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立管技術的發(fā)展方向，具有以下優(yōu)勢：與柔性立管相比，其成本低；與頂張力立管相比，其對浮體運動有較大適應性；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]。焊接技術是SCR建造的核心技術。區(qū)別于傳統(tǒng)立管，SCR焊接在坡口準備、焊接、焊縫成形、接頭性能等方面都有嚴格要求，而其焊接技術開發(fā)及其工程應用在中國尚屬空白領域。深水平臺的浮體運動產(chǎn)生很大的交變載荷，必然導致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SCR進行焊接工藝開發(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)縫無襯墊全自動熔化極氣體保護焊(Gas Metal Arc Welding, GMAW)焊接工藝進行SCR環(huán)縫焊接，并開展焊接接頭的疲勞試驗，將疲勞試驗結(jié)果與API RP 2A-WSD對SCR疲勞性能的要求進行比較，證明所采用的焊接工藝能滿足標準要求。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗采用標稱外徑為355.0 mm、標稱厚度為19.1 mm的X65管線鋼。X65管線鋼的化學成分和力學性能如表1和表2所示。

表1 API X65管線鋼化學成分 %

表2 API X65管線鋼力學性能

1.2 焊接工藝

采用無襯墊全自動GMAW焊，焊接材料為ER70S-6，焊絲直徑為1.0 mm，保護氣體為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

在本試驗中，在所有立管上切取小尺寸試樣進行疲勞試驗。小試樣的取樣方案為按圓周依次取樣并依次編號。焊接殘余應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力的釋放。為補償釋放掉的殘余應力，使用便攜式X射線衍射儀對立管表面焊縫和熱影響區(qū)的殘余應力進行測試。具體測點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。

小尺寸試件的試驗應力水平以API RP 2A-WSD規(guī)定的全尺寸試件的應力水平和在殘余應力測試中取得的焊縫及熱影響區(qū)的最大拉伸殘余應力疊加來確定。標準規(guī)定固定平均應力為140 MPa，動載為175 MPa、120 MPa、80 MPa等3個應力水平。出于保守考慮，選取測得殘余拉應力最大值260 MPa進行載荷補償。在試驗中固定靜載即平均應力為400 MPa，動載分別為175 MPa、120 MPa、80 MPa，在每種應力水平下試件個數(shù)分別為45、47、47，共139個試件。依據(jù)試驗參數(shù)和高頻疲勞試驗機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

疲勞試驗設備為GPS300型高頻疲勞試驗機，其最大靜載為300 kN，最大動載為150 kN。試驗機靜載精度滿量程為±0.2%，動載振幅波動度滿量程為±2%。疲勞載荷的加載方式為軸向加載，當疲勞壽命達到107時停止試驗，認為試樣達到疲勞極限，未發(fā)生斷裂。

1.4 疲勞數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

按照相關國際焊接學會文件中疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法規(guī)定的統(tǒng)計方法處理試驗中的疲勞試驗數(shù)據(jù)。

疲勞數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法的前提是假設疲勞試驗結(jié)果符合對數(shù)正態(tài)分布，然后用具有斜率m且分別對應K倍正負標準差的兩條標稱S-N曲線形成數(shù)據(jù)分散帶。特征值Ck(K指標)是指存活概率95%和置信度95%時的標稱值。

標稱值通過下述過程計算：

(1) 計算所有疲勞試驗數(shù)據(jù)點的應力范圍Δσ以及循環(huán)周次N以10為底的對數(shù)值。

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

mlogΔσ+logN=logC

(1)

(3) 設Ci是第i組試驗數(shù)據(jù)的對數(shù)值，利用所獲得的m值，計算logC的平均值Cm和標準偏差e：

Cm=∑Cin

(2)

(3)

式中：n為試驗數(shù)據(jù)點的個數(shù)。

(4) 計算特征值Ck為

Ck=Cm-K·e

(4)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 殘余應力測試結(jié)果

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

圖2 殘余應力測試結(jié)果

圖3 S-N曲線

圖4 疲勞試驗數(shù)據(jù)與API RP 2A-WSD標準比較

2.2 疲勞試驗結(jié)果

將疲勞試驗數(shù)據(jù)進行擬合，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

將疲勞試驗數(shù)據(jù)與API RP 2A-WSD標準進行比較，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標準的最低值和平均值要求。

2.3 疲勞試件斷裂位置

在139個疲勞試件中，78個試件從蓋面焊縫焊趾起裂，6個試件從根部焊縫焊趾起裂，55個試件未發(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。

采用掃描電鏡對疲勞斷口進行分析，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)標準檢驗的合格焊接缺陷。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X65管線鋼環(huán)縫無襯墊全自動GMAW焊接接頭開展疲勞試驗，通過對疲勞結(jié)果進行分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) X65管線鋼環(huán)縫無襯墊全自動GMAW焊接接頭在高、中、低3個應力水平下的疲勞壽命最低值和平均值均高于API RP 2A-WSD標準的要求。

(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。