水下防噴器疲勞壽命分析及判廢研究

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(中海油 安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450)

·專題研究·

水下防噴器疲勞壽命分析及判廢研究

吳奇兵，張士超，葛偉鳳，張昕，方傳新，張臣

(中海油 安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450)

目前，國內(nèi)尚無針對水下防噴器專用的判廢標(biāo)準(zhǔn)，采用通用判廢指標(biāo)對其進行判廢，適用性較差。在分析國內(nèi)外井控裝備判廢標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，確定了年限和承壓次數(shù)為防噴器的主要判廢指標(biāo)。通過防噴器殼體的強度分析，基于材料的S-N疲勞曲線法，計算防噴器殼體疲勞壽命；應(yīng)用Paris公式對含裂紋缺陷防噴器殼體疲勞壽命進行分析。結(jié)果表明：防噴器殼體在額定工況下及試驗工況下滿足強度要求；以疲勞理論計算出額定工作壓力工況下的防噴器的承壓循環(huán)次數(shù)及工作年限遠大于標(biāo)準(zhǔn)中要求的指標(biāo)；含有初始裂紋防噴器殼體的疲勞壽命遠小于未含有裂紋的殼體疲勞壽命，且隨著初始裂紋尺寸的增加，防噴器殼體的疲勞壽命逐漸降低。通過對防噴器殼體進行疲勞壽命分析，為水下防噴器判廢研究提供了一種新思路。

水下防噴器；強度；S-N曲線；疲勞壽命；判廢

水下防噴器是半潛式鉆井平臺進行海洋石油勘探開發(fā)與作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是控制井口壓力，防止井噴事故發(fā)生，保證人員、設(shè)備及海洋環(huán)境安全[1]。作為重要的安全保障設(shè)備，井控設(shè)備合理的判廢是保證海上鉆井安全的重要手段之一。目前，水下防噴器還沒有強制判廢標(biāo)準(zhǔn)，也沒有強制報廢的做法，給現(xiàn)場作業(yè)帶來很大的安全隱患。

國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定了防噴器判廢條件[2-5]，但只針對陸地防噴器，并不適用于海上防噴器(尤其是水下防噴器)的特殊要求。水下防噴器由于其特殊的工作環(huán)境及高昂的制造成本，其判廢時不能簡單套用陸地防噴器的判廢標(biāo)準(zhǔn)。本文在研究了陸地防噴器判廢條件的基礎(chǔ)上，總結(jié)了影響防噴器使用壽命的主控參數(shù)。以某深水鉆井平臺雙閘板防噴器為研究對象，運用ABAQUS有限元分析軟件進行了殼體的強度分析[6-7]，同時計算了防噴器殼體在完好狀態(tài)及含有初始裂紋缺陷2種條件下的疲勞壽命。該研究為水下防噴器的檢修及判廢提供理論支持。

1 防噴器判廢現(xiàn)狀

國際上涉及防噴器的主要標(biāo)準(zhǔn)包括：API RP 53、API Spec 16D、API Spec 16A、NORSOK-D-001、IADC的Deep Water Well Control Guidelines、MMS regulations title 30 of the Code of Federal Regulations、UK health and safety requirements等，這些標(biāo)準(zhǔn)均沒有明確的防噴器判廢要求。通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，國外有關(guān)井控設(shè)備報廢研究公開發(fā)表文獻很少，API、ISO、DNV也沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，可供參考的資料很少。

國內(nèi)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6160—2014《防噴器檢查和維修》對井控設(shè)備報廢制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于鉆井、井下作業(yè)用防噴器。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了年限、刺漏、變形、硬度退化、磨損、密封、裂紋、螺紋孔等判廢技術(shù)指標(biāo)。

中石油制定了企標(biāo)Q/CNPC 41—2001《防噴器判廢技術(shù)條件》，同時用公司文件形式下發(fā)了中國石油天然氣集團公司井控裝備判廢管理規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)適用于鉆井、修井用的環(huán)形、閘板防噴器，未對海上防噴器做出單獨規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了年限、試壓次數(shù)、裂紋、變形、硬度退化、磨損、密封、重要螺紋孔、控制油路等判廢技術(shù)指標(biāo)。

中石化制定的企標(biāo)Q/SH 0164—2008《陸上井控裝置判廢技術(shù)條件》。該標(biāo)準(zhǔn)適用于陸地鉆井各類防噴器、鉆井四通、井控管匯、控制裝置和氣體分離器。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試壓次數(shù)、裂紋、變形、硬度退化、磨損、密封、重要螺紋孔、控制油路等判廢技術(shù)指標(biāo)，但沒有強制報廢的年限要求。

對比分析國內(nèi)外防噴器檢修和認(rèn)證的實際做法，總結(jié)出影響防噴器判廢最重要的參數(shù)為年限和承壓次數(shù)2個指標(biāo)，如表1所示。

表1 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)判廢條件分析

國內(nèi)使用的水下防噴器多為進口設(shè)備，由于其性能及使用工況的特殊性，無法按照國內(nèi)通用的判廢標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在使用時通常是按照相關(guān)檢驗維修標(biāo)準(zhǔn)及廠家推薦的方法進行檢驗維修，以確保水下防噴器作業(yè)安全。

2 強度分析

作為防噴器組中最重要的承壓件，防噴器殼體的壽命決定了整個防噴器的使用壽命。為確保防噴器在役期間安全正常地運行，防噴器殼體必須具備承受作業(yè)工況壓力下滿足強度要求。此外，應(yīng)力分析的結(jié)果是疲勞壽命計算的基礎(chǔ)。

2.1 模型建立

本文以某深水鉆井平臺雙閘板防噴器為研究對象。該防噴器主要由閘板密封、側(cè)門密封、液壓鎖緊等組成，如圖1所示。

圖1 雙閘板防噴器三維模型

在進行殼體強度分析時，為了節(jié)省計算空間，提高計算效率，考慮殼體的對稱性，采用1/4模型進行模擬計算，同時將雙閘板防噴器上一些不影響分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)簡化。

殼體形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在縱向上存在較多的尺寸突變，因此采用四面體網(wǎng)格，并對承載面和轉(zhuǎn)角處進行單元細(xì)化處理。殼體計算模型共劃分單元54 796個，節(jié)點11 412個，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 防噴器殼體有限元模型

防噴器殼體力學(xué)參數(shù)如表2。

表2 防噴器殼體材料力學(xué)性能參數(shù)

2.2 計算結(jié)果分析

在殼體的內(nèi)部承壓面上施加均布壓力。模擬施加的內(nèi)部載荷包括2個級別：工作狀態(tài)下額定工作壓力(70 MPa)及試驗狀態(tài)下的1.5倍額定工作壓力(105 MPa)。殼體的外表面上施加作業(yè)水深處的靜水壓力。殼體的上、下表面為固定端，加位移約束；殼體的剖面上加對稱約束。

強度校核采用API SPEC 16A[8]推薦的第二種強度校核的方法進行校核，即防噴器殼體所承受最大等效應(yīng)力不大于材料屈服強度即滿足要求。當(dāng)殼體承受的分別是額定工作壓力(70 MPa)與試驗狀態(tài)下的1.5倍額定工作壓力(105 MPa)時，防噴器殼體承受的最大等效應(yīng)力分別為308.5 MPa與500.6 MPa(如圖3)，出現(xiàn)在防噴器殼體通徑的內(nèi)壁部分區(qū)域。最大等效應(yīng)力小于屈服極限586 MPa，說明在額定工作壓力及靜水壓試驗工作下，該防噴器的殼體強度滿足API標(biāo)準(zhǔn)要求。

a 額定工況

b 靜水壓工況

通過對2種工況的分析，可以發(fā)現(xiàn)殼體出現(xiàn)多處高應(yīng)力區(qū)域，主要分布在殼體垂直通孔與閘板腔室孔相貫處、結(jié)構(gòu)突變處以及殼體相對較薄的部位。防噴器殼體這些部位易發(fā)生破壞，進而影響使用壽命，需要在防噴器使用及維保過程中重點關(guān)注。

3 疲勞壽命預(yù)測

防噴器在工作時，頻繁地加壓泄壓，且海上工作環(huán)境惡劣，長時間工作時防噴器有可能發(fā)生疲勞破壞。對于無初始裂紋的防噴器殼體，依據(jù)有限元分析求出的應(yīng)力幅，并結(jié)合S-N曲線可求出其使用壽命[9]。

3.1 S-N曲線選取

防噴器殼體可看作壓力容器，因此疲勞曲線可應(yīng)用ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范》推薦的S-N疲勞曲線[10]。如圖4所示。

圖4 ASME標(biāo)準(zhǔn)推薦的S-N疲勞曲線

S-N疲勞曲線數(shù)學(xué)表達式為

lgN=lgC-mlgΔσ

(1)

式中：N為循環(huán)次數(shù)；Δσ為應(yīng)力幅；m、C為與材料、裂紋類型等有關(guān)的系數(shù)，描述材料疲勞裂紋擴展性能的基本參數(shù)，由實驗確定。而防噴器本體材料未見詳細(xì)的斷裂力學(xué)參數(shù)，結(jié)合《機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》及ASME標(biāo)準(zhǔn)確定，取m=3，lgC=10.56。

3.2 疲勞計算分析

根據(jù)殼體強度計算結(jié)果，可以得出防噴器殼體在額定工況下殼體最大應(yīng)力值，進而可得出循環(huán)應(yīng)力幅。結(jié)合疲勞計算公式，參照ASME標(biāo)準(zhǔn)中疲勞設(shè)計，疲勞壽命安全系數(shù)為20，計算出防噴器的疲勞壽命(承壓次數(shù))如表3。

表3 防噴器疲勞壽命

由表3可見，假設(shè)防噴器每次都是在滿負(fù)荷情況下(額定工作載荷)工作，雙閘板防噴器的疲勞壽命為5 571次承壓循環(huán)，遠高于標(biāo)準(zhǔn)要求的500次承壓次數(shù)。

根據(jù)防噴器的使用記錄，某年作業(yè)10口井，每口井防噴器試壓使用的頻率為8～10次。即在正常作業(yè)中，一年開關(guān)防噴器80～100次。按100次承壓循環(huán)算，雙閘板防噴器使用年限為55 a，遠大于標(biāo)準(zhǔn)要求的15 a或16 a。

以疲勞理論計算出額定工作壓力工況下的防噴器的承壓循環(huán)次數(shù)及工作年限遠大于標(biāo)準(zhǔn)中要求的指標(biāo)，說明防噴器通常工作強度及頻率在實際使用中極難出現(xiàn)疲勞破壞情況。影響防噴器殼體使用年限首要考慮的是環(huán)境條件造成的殼體腐蝕對壽命的影響，而非殼體承受循環(huán)壓力作用而導(dǎo)致的疲勞破壞。

4 防噴器殼體有裂紋時疲勞壽命估算

由于井內(nèi)壓力大，防噴器反復(fù)受到碰撞、沖擊等因素，殼體等部件會形成不同類型的裂紋缺陷。因此，防噴器的疲勞壽命是由疲勞裂紋的擴展速率決定。斷裂力學(xué)在防噴器缺陷評定中的應(yīng)用，使防噴器的剩余壽命可通過疲勞裂紋擴展規(guī)律研究進行預(yù)測[11-12]。

4.1 疲勞裂紋擴展原理

斷裂力學(xué)的剰余壽命計算方法為：獲取裂紋的初始尺寸a0和臨界尺寸an，根據(jù)疲勞擴展公式和疲勞累積算法——Miner法則計算剩余壽命。計算防噴器殼體剩余壽命時也采用這一方法。

對于含有初始裂紋的防噴器殼體，當(dāng)ΔK超過了其門檻值時，裂紋開始擴展，殼體進入有限壽命期。每一個周期的加載過程中都會增加裂紋深度，即疲勞裂紋擴展率。將裂紋從初始尺寸a0發(fā)展到臨界尺寸an所經(jīng)歷的循環(huán)N稱為該裂紋的剩余壽命[13]。裂紋擴展速率由Paris式來表示。

(2)

當(dāng)防噴器殼體受等幅載荷作用時，直接對疲勞裂紋擴展式積分可得到相應(yīng)的疲勞壽命。防噴器殼體的壽命就是由初始裂紋a0擴展到臨界裂紋an所需要的載荷循環(huán)數(shù)Nn，積分得疲勞壽命為

(3)

式中：a為與材料、裂紋類型等有關(guān)的系數(shù)；σ為截面的應(yīng)力幅值，MPa。

根據(jù)K判據(jù)，當(dāng)K=K1c，可得帶裂紋防噴器殼體的臨界裂紋an為

(4)

到目前為止，對初始裂紋還沒有統(tǒng)一的定義。對于防噴器的初始裂紋，一般是通過無損檢測方法確定，將實際測得的裂紋深度，定為初始裂紋尺寸a0。

4.2 含裂紋疲勞壽命計算與分析

圖5 初始裂紋深度與承壓次數(shù)關(guān)系曲線

由圖5可知，隨著初始裂紋深度的增加，防噴器殼體的疲勞壽命(承壓次數(shù))逐漸降低。在初始裂紋深度小于1 mm時承壓次數(shù)降低速率大，即使很小的尺寸增加都會大幅降低防噴器使用壽命，說明在防噴器的使用中要特別注意檢查微小裂紋。通過計算結(jié)果可以看出，含有初始裂紋的疲勞壽命相對比遠小于未含有裂紋的殼體疲勞壽命，說明初始裂紋的存在對防噴器殼體的壽命有決定性的影響。

文獻[5]規(guī)定，防噴器每3 a法定檢驗，進行無損檢測。以該防噴器為例，在正常作業(yè)中，1 a開關(guān)防噴器80～100次，即檢測周期為300個承壓循環(huán)。按照圖5計算結(jié)果，理論上防噴器安全使用的允許裂紋深度應(yīng)該小于7.9 mm。

5 結(jié)論

1) 通過對水下雙閘板防噴器殼體進行有限元分析，獲得了在額定工作壓力下殼體的應(yīng)力分布云圖和應(yīng)力集中區(qū)域，并按照API SPEC 16A標(biāo)準(zhǔn)中的方法進行了強度校核，校核結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2) 以疲勞理論計算出額定工作壓力工況下防噴器的承壓循環(huán)次數(shù)及工作年限遠大于標(biāo)準(zhǔn)的要求。說明以防噴器實際的工作強度及頻率，使用中極難出現(xiàn)疲勞破壞情況。

3) 含有初始裂紋的疲勞壽命遠小于未含有裂紋的殼體疲勞壽命，說明初始裂紋的存在對防噴器殼體的壽命有決定性的影響。隨著初始裂紋深度的增加，防噴器殼體的疲勞壽命(承壓次數(shù))逐漸降低。

4) 應(yīng)考慮防噴器每次開關(guān)動作對殼體的磨損、環(huán)境腐蝕等工況對殼體壽命的影響?？蛇M行防噴器開關(guān)試驗，并進行大量防噴器使用壽命的統(tǒng)計，結(jié)合防噴器使用頻率、作業(yè)環(huán)境及維護保養(yǎng)狀況，綜合確定防噴器判廢條件。

5) 本研究可為預(yù)測含表面裂紋缺陷的水下防噴器殼體的剩余壽命，制定判廢標(biāo)準(zhǔn)等提供參考。

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ResearchoftheFatigueLifeandAbandonmentJudgmentofSubseaBOP

WU Qibing，ZHANG Shichao，GE Weifeng，ZHANG Xin，F(xiàn)ANG Chuanxin，ZHANG Chen

(SafetyTechnologyServiceCo.，Ltd.，CNOOC，Tianjin300450，China)

There is no specialized judgment of abandonment for subsea BOP at present，and the applicability of the common index is not good enough to be used to judge the abandonment of subsea BOP.Basic on the analysis on the abandonment judgments of well control equipment in domestic and overseas，two main indexes were confirmed in this paper for abandonment judgment of subsea BOP，they are age limit and pressure bearing number respectively.It calculated the fatigue life of subsea BOP shell on the basic of strength analysis，and moreover，it analyzed the fatigue life of subsea BOP shell which has a crack defect with the Paris equation.The result shown that the subsea BOP shell can meet the strength requirement under the certain operating conditions and the test conditions；the confining cycle times and work seniority calculated from the fatigue theory under certain working pressure are much larger than the index in the standard；the fatigue life of the subsea BOP who has an initial crack is much smaller than the one who does not has an initial crack，and also with the increase of initial crack dimension，the fatigue life will decrease gradually.It provides a new clue for the research of the judgment of abandonment of subsea BOP through the analysis of fatigue life.

subsea BOP；strength；S-Ncurve；fatigue life；judgement of abandonment

1001-3482(2017)06-0001-05

2017-06-05

國家自然科學(xué)基金項目“體積壓裂管柱特殊螺紋接頭流固耦合振動機理及密封性研究”(51404198)

吳奇兵(1986-)，男，江西金溪人，工程師，碩士，現(xiàn)從事海洋石油鉆完井設(shè)備及工藝安全評估工作，E-mail：wuqb@cnooc.com.cn。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.001