SY∕T 7605-2020 石油天然气钻采设备海洋立管全尺寸疲劳试验方法(石油天然气).pdf

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1、ICS 75.180.10 E 92 中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 7605-2020 石油天然气钻采设备海洋立管全尺寸疲劳试验方法Petroleum drilling and production equipment一Full-size fatigue test method for marine riser 2020-10-23发布2021-02-01实施国家能源局发布SY/T 7605-2020 目次前言.rn 1 范围2 规范性引用文件.3 术语和定义4 试验装置.24.1 总则 2 4.2 激振系统.2 4.3 数据采集存储系统.2 4.4 支撑装置.24.5 加压系统2

2、4.6 控制系统25 试样设计与制备.2 日试样设计25.2 试样制备6 试验载荷.6.1 载荷类型6.2 试验载荷7 试验准备.3 7.1 测量计算SCF7.2 密封性能测试47.3 试样安装与调整.4 7.4 应变测试要求.4 8 试验.48.1 共振调试4 8.2 疲劳试验48.3 失效判定.5 8.4 试验终止58.5 试验中断处理59 试验结果处理.59.1 试验数据记录59.2 试验数据处理.5 SY/T 7605-2020 9.3 疲劳寿命评估610 试验报告.7 附录A(资料性附录)试样设计示例8附录B(资料性附录)数据记录表-参考文献.12 II SY/T 7605-2020

3、 目IJ1=1 本标准按照GB!f1.1-2009 0，前力比r0，载荷变化曲弯如图1所示。.注:平均应力max+战t，.)12，应力比同tii:川6.2 试验载荷j J I I 6.2.1 试验应力范围由委把方确定，调样最大应力max否应高iF材料屈服强度的2/3。6.2.2试验加载应力范围偏差不宜超川要求加载应力范围的1饥在试验结果数据处理时，应按照实际加载的应力范围进行戒劳寿命评甜。用IJ 6.2.3 试验时，应将应力1l围换算成EY.变范围，以便奇数据采集监测。6.2.4 试验时，试样内腔充液加压，压力大小宜与是品除定压力一致。7 试验准备7.1 测量计算SCF7.1.1 在试验之前宜

4、确定试样应力集中位置处的SCF，确定方法执行SY/T10049的相关要求。7.1.2 对于管状对接环焊缝可按公式(1)测量计算SCF，在试样焊缝两侧取不少于6个?m点进行测量。式中:SCF二l叶X1+07X(引T)11(.3 SY/T 7605-2020 e一一环形焊缝两侧管径的最大偏心误差，单位为毫米(mm);T-一焊缝单侧的最小管壁厚度，单位为毫米(mm);T2一一焊缝另一侧的最大管壁厚度，单位为毫米(mm)。7.2 密封性能测试7.2.1 试样内腔有充液要求时，应先进行密封性能测试，测试压力为产品额定压力。7.2.2 密封测试时，应逐级加压到额定压力后进行保压，加压级数不宜少于3级，保压

5、时间不少于15min。7.2.3 保压期间试样应无可见渗漏，压阵应小于额定压力的5%。7.3 试样安装与调整按照5.1.6确定的试样支撑点位置调整支撑跨距，试样上所关注横截面宜处于支撑跨距中间位置。7.4 应变测试要求7.4.1 应变片类型应满足动态应变测试要求。7.4.2 应变片布置位置应避开应力集中区域，距离应力集中截面不小于6倍壁厚。7.4.3 各应变片应在试样所关注横截面的外国面上环形均布，每个横截面布置应变片不少于3个。7.4.4 应变片布置方向应为试样轴向。7.4.5 试样粘贴应变片位置应打磨至见金属光泽，粘贴牢靠。7.4.6 应变片连接线应固定稳固。7.4.7 测试各通道数据信号

6、正常无误。8 试验8.1 共振调试8.1.1 调试时，试样内腔压力不应高于O.5MPao8.1.2 数据采集系统初始化，各通道应变调零。8.1.3 缓慢增加激振系统电动机转速，提高激振频率，使试样振动频率逐步接近试样一次弯曲固有频率。同时，观察数据由线，各通道应变数值是否达到试验要求的应变范围。8.1.4 若振动频率已经达到或超过了试样的一次弯曲固有频率，而应变范围却未达到要求，应|临时停机，调节激振系统激振力。8.1.5 重复进行8.l.2至8.l.4，直至测得的试样应变范围满足试验要求，各通道应变曲线呈现稳定的正弦规律周期性变化为止，记录此时的应变变化频率(即试样加载频率)。8.1.6 试

7、样应变范围达到加载要求并稳定后，数据采集系统开始输出保存加载频率、应变范围和载荷循环次数，数据采集输出5min-15min后，停止调试。8.1.7 检查确认输出保存的各数据应处于正常状态。8.2 疲劳试验8.2.1 共振调试完成后，方可进行疲劳试验，试验可分段进行。8.2.2 开启数据采集系统，将各应变通道数据清零。8.2.3 试样内腔有充液要求时，开启加压控制系统，加载到试验压力后持续保压。8.2.4 再次将各应变通道数据清零，开启变频器，逐渐调大电动机转速，直至达到8.1.5确定的试样4 SY/T 7605-2020 加载频率。8.2.5 观察应变时域信号，当应变范围达到试验要求且振动频率

8、稳定时，开启数据输出保存功能，开始记录试验数据。8.2.6 试验过程中，应实时监测应变时域曲线、内压曲线，如果发现异常，应先减速停机，再停止数据输出后，进行检查。靠近试样检查时，应先泄掉试样内腔介质压力。8.2.7 试验中断继续试验时，应再次按照8.2.2至8.2.4执行。t.8.3 失效判定t唱.,.试样出现穿透裂纹或刺漏时，认定请样失效。|气8.4试验终止吨，咱.飞、电当认定试样失效或达到试验要求的循环加载次数时终止试验。8.5试验中断处理/-1 试验过程因异常情况中断，直口果应变范围在要求范围由，-采集的加载循环次数应累计。9 试验结果处理9.1 试验数据记录I 疲劳试验持续时间较长，分

9、段试验时，每一个时间段为1组数据，每组数据中至少应包含试验起始时间、停止时间、循环守夜各测试点呻亥可l暖内的平均应变范D载频率。试验数据参照附录B中的表B.l统计记录。9.2 试验数据处理9.2.1 试验循环次数.J.I.11.疲劳试验最终要确定用于评估海浦立管疲劳寿命的循环次散和试验应为范围。其中，循环次数为各时间段内加载的循环次数之和，按公i式()计算:.(2)式中:N一一总循环次数;川一第i个疲劳时!时间段内的累计加载循环如A9.2.2 试验应力范围用于疲劳寿命评估的试验应力范围按公式(3)计算:So=E X 107时，m=5.0;S一一基于所选定级别S-N曲线的应力范围。表1各级另IJ

10、S-N曲线常数S-N曲线级别19A1llean 19A11lean m=3.0 m=5.0 Bl 13.313 17.256 B2 13.139 16.966 C 12.992 16.720 Cl 12.849 16.481 C2 12.701 16.235 D 12.564 16.006 E 12.410 15.750 F 12.255 15.491 Fl 12.099 15.232 F3 11.946 14.976 G 11.798 14.730 Wl 11.661 14.501 刑1211.507 14.245 W3 11.370 14.017 9.3.2 目标寿命曲线目标寿命由线是基于

11、数理统计学一定置信区间的计算值，按公式(5)计算:Ntarget=Nmean X 10 x(/J;)式中:Ma叫一一所选定级另IjS-N曲线的目标寿命;6(4)(5)SY/T 7605-2020 n 试验样本数:19N的标准偏差，针对SY/T10049中所有级别的S-N曲线，=0.2;x 高于平均寿命的标准偏差数量，当基于标准正态分布下97.5%存活率时，X=1.96;当基于标准正态分布下95%存活率时，X=1.645。9.3.3 疲劳寿命等级判定严、一若参与评估的所有有翠词哇疲劳试验循环次数高于对应级别的目标寿命曲线，则判定该海洋立管的疲劳寿命满足该级别的是求。、.示侈IJ:图2是海洋立管疲

12、劳寿U评估图示例，图中73，.，.:主、F3类、C1类3条曲线均是在试验样本数月二2时，通过公式(5)计算得出的目标寿命曲线也可样1和试样2分别为两吃苦样的总循环次数N，图中显示这两个试样所代表的海洋立管疲劳寿命高于syrr10049中的晚类、F3类目标贼寿命阳节肝、Y7T阳?中的CI类目标疲劳寿命曲线，因此，该海洋立管疲劳寿命满足SY/T10啡9、中F3类级别。200 190 160。140巳-:;120 E 100:;80-J 60 40 20 4.4 4.8 I 5.2 5.6 6 基于SYIT 10049 F3类S-N目标曲线-豆、于SY/T10049 Cl类S-N目标曲线-.-基于S

13、Y/T10049 W3类S-N目标曲线A 试样l试样26.8 7.2 7.6 8 8.8 图2海洋ZZ管疲劳寿甜评估图示例10 试验报告试验报告应包括但不眼于以下内容L:一一试验装置的基本信息:试样结构示意图，1试样规格、材料:一试验参数:捕归平均应力范围、试验阳、要求加载的循如数:应变片分布位置友为二向叫 试验循环次数;试样失效类型及位置;疲劳寿命评估图;一一试验过程照片;一一试验日期、试验操作员等。7 SY/T 7605-2020 附录A(资料性附录)试样设计示例A.l 概述以海洋钻井隔水管疲劳试样设计为何IJ介绍试样设计方法，其他海洋立管产品设计方法参照使用。试样设计基于有限元模态分析方

14、法，对初步设计的疲劳试样的固有频率及振型进行计算，得出试样一次弯曲固有频率。若该频率在试验装置的激振频率范围以内(一般为10Hz-30Hz)，则初步设计的试样满足共振弯曲疲劳试验要求;若该频率低于10Hz(高于30Hz)，应通过减短(增长)试样的长度尺寸或减少(增加)两端配重量后重新计算，直至试样一次弯曲固有频率在10Hz-30Hz之内，此时的试样长度应作为疲劳试样设计的最终长度，其一次弯曲模态中的两个零位移点之间的距离即为试样的支撑跨距。A.2 有限元模型建立初步设计的钻井隔水管全尺寸疲劳试样外径、壁厚与隔水管产品一致，即全尺寸，长度8500mm。试样两端焊接封板及进排水接头，试验时内腔充满

15、水。进行有限元模态计算时，应把疲劳试样、激振端工装夹具、配重、试样内水的质量等作为一个试样系统整体来考虑。8 在该试样系统模态计算模型中，边界条件按以下方法处理:a)部件连接关系处理:试验过程中，激振端夹具、配重块都采用螺栓与试样连接成一体，在分析中将连接面处理为完全绑定接触类型。b)内压的处理:自由模态计算中，外载荷对试样的固有频率没有影响，在此不予考虑。c)内腔液体介质质量的处理:试样内腔充满水，将水的质量等效附加在试样上予以考虑，因此试样的等效密度应为，=(M立管+M水)IV立管，而夹具和配重的密度均不变。疲劳试样系统整体网格计算模型如图A.l所示。2e+003 一l一.le+003 3

16、e+003 图A.l疲劳试样系统网格模型SY/T 7605-2020 A.3 模态计算结果分析经过有限元模态计算得出该疲劳试样系统的一次弯曲固有频率及振型如图A.2所示。TOialner(证丽页。nTypc:Total Dcfo们matiollFrequency:24.035H:/Unit:mm 0.82819孔1ax0.76925 0.71032 0.65138 0.59245 0.53351 0.4745 0.41564 0.35671 0.29777 0.23)3)34 0.1799 0.120%2.5e+003 50+003(mm)!i田一一一1.25e-003 3.750+003 图

17、A.2.撞劳试样系统一次弯曲振型计算可知，该疲劳试样系统的一次弯曲固有频率为24.035Hz，在试验装置的激振频率范围内，这说明初设的疲劳试样长度满足试验要求。试样一次弯曲振动形开f的应力分布/民如国A.3所示，试样应力布，中间弯曲应力最大，向两端逐渐减小J由此可知，当试样疲劳性能可以在很小的激振力下jH最大的交变弯ZIn翩。Equivalcnt Strcss 2 Ty叫pe:Equivalent(vou-M附es)S(TeSS Frequency:24.035Hz Un;t:Mpa 1.25e-003 3.75e+003 Nonnal Strc、ss2 Typc:NOfmal Strc田(Z

18、Axis)Frequency:24.035Hz Unit:Mpa Global Coordinate System 9.)3451 Max 7.6574 5.4696 3.2819 1.0941 1.0936 3.2813 5.4691 1.25e+003 间横截面为对称面对称分部位在中间位置时，就2.ie+0Q1 5e+003(11卫11)3.75e+003 a)MJSES等效应力分布b)轴向应力分布图A.3疲劳试样一次弯曲振型下的应力分布形式A.4 式样结构设计深水钻井隔水管疲劳性能最薄弱的环节是管体上的对接环焊缝，1根试样上可设计两条同样的焊缝，以中间横截面对称布置，设计试样结构如图A.

19、4所示，两端封头的厚度按照GBIT150.3的相关9 SY/T 7605-2020 要求确定。试样上总共布置12个轴向应变片，4个一组，每组应变片在同一个横截面外国上，间隔900环向均布。应变片粘贴位置应距离焊缝足够远，以避免焊缝处的应力集中因素影响数据采集的稳定性和准确性，本试样中为275mm。寸mmm$钻井隔水管全尺寸使劳试样示意图图A.4试样支撑点位置确定从试样系统一次弯曲振型(图A.2)可以看出，试样上存在两个零位移点，这两个零位移点以试样中间横截面为对称面对称分，市。把试样的支撑点置于两个零位移点，可最大限度减小试样的支撑固定对其振动形态的影响。本例试样一次弯曲振动形态中的两个零位移

20、点相距约5800mm，由此确定该钻井隔水管疲劳试样的支撑跨距为5800mm。10 A.5 附录B(资料性附录)数据记录表海洋立管共振弯曲疲劳试验数据记录表见表B.l。rn、表B.l试验数据记录表SY/T 7605-2020 试验时间11、各通道(测点)干均应变范围序号|循环次数、E 加载频率试样内压起始停止lI 1 1.2,1 3 1.1 n I Hz MPa 随-1-1 1 1/r 1 1 1 1 11/1.1 I-1 i 俨，I 1 1.-l!/-8,1-1 I 1-11 1 t 1,/1 1 1 11 11 1 1 il 1 J 1 1 1 1 j 11 1 1 J 1 l 1 1 1

21、11 11 J I 11 1 l 1 1 1 11 11 II J 1 1 I 1 1 1 11 循环次数合计11 1-1-1 f-J I-=d|l)LJ 11 SY/T 7605-2020 参考文献1 GBIT 24176金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法2 BS 7608Code of Practice for Fatigue D巳signand Assessment of St巳巳1Structures 3 DNV RP C203 Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structures 叫4D阶rCa盯圳rlBa缸xt阳C町r.D

22、e肝V而c巾lop阳men叽1Offshore Technology Conference.Hou吕ton，T巳xa岳，U.S.A.,3-6 May 2004 5 Jaime Buitrago.Fatigue Designand Performa时eVerification of Deepwater Risers C.Offshore Mechanics&Arctic Engine巳ringConference.Cancun,Mexico,June 2003 6 Yung-Li Lee,Jwo Pan,R.B.Hathaway,M.E.Barkey.Fatigue Testing and Analysis Theory and Practice M，国防工业出版社，2011 12 笃笃-mS卜电医中华人民共和国石油天然气行业标准石油天然气钻采设备海洋立管全尺寸疲劳试验方法syrr 7605-2020 石油工业出版社出版(北京安定门外安华里二区一号楼)北京中石油彩色印刷有限责任公司排版印刷新华书店北京发行所发行880 x 1230毫米16开本1.25印张32干字印1-3002021年1月北京第1版2021年1月北京第1次印刷书号:155021.8174 定价:25.00元版权专有不得翻印