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海底管道焊接接头疲劳寿命仿真剖析 　　摘要：文章结合《管道及有关设施的焊接》（API 1104-2001）以及挪威标准《海洋管道系统》（DNV-OS-F101），运用有限元法分析了焊接坡口角度大小对焊接接头疲劳寿命的影响，并获得较佳的焊接坡口角度，为以后焊接工艺提供参考，最后运用Miner损伤定则对管道使用寿命进行了计算，验证焊接工艺的可行性。 　　关键词：海底管道；X80钢；交变载荷；焊接接头；疲劳寿命；有限元 文献标识码：A 　　中图分类号：TE973 文章编号：1009-2374（2016）05-0077-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.039 　　随着能源工业以及海洋勘探、开采的迅速发展，资源开发从陆地转移到海洋，并且从常规水深（小于500m）向深水（500～1500m）乃至更深层的水域（大于1500m）发展，深层次的海洋开发正逐步成为世界石油工业的主要增长点和竞争点。海底管道是海上石油运输的主要方式之一，由于海底管道所处环境非常复杂，会受到多种载荷的作用，其中输油载荷海底管道承受的主要载荷，这些载荷对管道的寿命以及海油工程的安全性具有重要影响。在海油工程中受市场供需以及输油技术造成的启停等原因，管道的输油压力会发生周期性的波动，对管道产生周期性的交变应力。在此交变载荷的作用下，管道由于工艺等原因造成的原始缺裂纹会发生疲劳扩展，最终引发管道的疲劳断裂。焊接是海底管道接头常用的连接方式，焊接部位由于焊接工艺以及材料上的缺陷，是管道结构中最容易发生破坏的薄弱环节。在受到油液的交变载荷时常会发生疲劳失效，因此对焊缝疲劳寿命分析是预防疲劳损坏和疲劳失效故障的首要前提，而焊接坡口角度的大小是焊接工艺中很重要的参数，本文采用有限元的方法进行焊接坡口角度对焊缝疲劳寿命的影响研究。 　　1 管道选取及载荷分析 　　1.1 管道载荷分析 　　海底管道在输油过程中会受多种载荷的作用，主要受管道的内压和外压。本文对双层管疲劳寿命进行研究，故只考虑内压，且暂不考虑管道受到的其他载荷和温度影响。管道的疲劳失效通常是由管道受到的各种交变应力引起的，用R表示交变应力变化程度，R等于输油压力最小值与最大值之比，根据输油实际情况在0.1～0.6之间。当交R接近于0.1时，相当于多次启停供油或反复进行压力试验等情况；当R接近于0.6时，相当于在正常输油过程中油压发生压力波动的情况。在对管道进行疲劳分析时，必须综合考虑这两种工况，以使分析结果更接近实际情况。 　　实际管道的额定输油压力为34.5MPa，取管道输油最大压力为34.5MPa。管道输油过程中由压力波动引起的应力循环峰值，选取为输油压力为34.5MPa时所产生的应力。 　　1.2 管道参数选取 　　考虑到油田水下采油环境及管道受载情况，并对美国标准《管道及有关设施的焊接》（API 1104-2001）以及挪威标准《海洋管道系统》（DNV-OS-F101）相关技术标准进行考核，采用API X80焊接管线。根据AIP 1104标准规定的焊接材料与母材高强匹配的原则，选择了与母材强度相匹配的焊接材料。根焊焊条采用日本产LB-52U低氢型焊条（符合AWS A5.1 E7016）。 　　填充、盖面焊选用的焊丝为HOBART FABSHIELD X80（符合AWS A5.29 E81T8-Ni2J）。此型号焊丝具有较强的抗低温冲击性能。根据API Spec 5L规定的X80管线钢力学性能如表1所示： 　　2 有限元模型建立与计算 　　2.1 有限元模型建立 　　采用V型坡口进行焊接，由于X80钢的壁厚一般都比较大，所以在考虑坡口角度时，取的数值比较小，为40°～50°。分别取坡口角40°、50°、60°进行建模与分析。 　　运用ANSYA软件建立整个管道及焊缝的有限元网格模型，对管道采用六面体单元划分网格，对焊缝采用四面体单元划分网格，在边界处进行网格单元节点的连接。 　　管道及焊材具有好的韧性，故采用Gerber理论对其进行拟合与分析。 　　焊接接头及管道要进行磨平处理，表面较光滑，应力集中相对较小，根据取疲劳强度因子1.5进行分析。 　　2.2 有限元结果分析 　　2.2.1 交变载荷下的焊缝应力分析结果。 　　图1中从左到右依次为焊缝坡口为40°、50°、60°时的焊缝及管道应力云图。受有限元建模时模型固定位置选取的影响，会在管道两端面出现应力较大的现象，但实际并非如此，且这样建模对焊缝应力计算影响较小，故忽略靠近管道两端的应力。 　　焊接接头最大应力发生在焊材与母材接触的熔融区，发生位置受坡口角度影响较小，但坡口角度对焊缝处应力值影响较大，当坡口角度为60°时应力最大，应力值约200MPa；坡口角度为50°时