水下防喷器疲劳寿命分析及判废研究

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(中海油 安全技术服务有限公司，天津 300450)

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水下防喷器疲劳寿命分析及判废研究

吴奇兵，张士超，葛伟凤，张昕，方传新，张臣

(中海油 安全技术服务有限公司，天津 300450)

目前，国内尚无针对水下防喷器专用的判废标准，采用通用判废指标对其进行判废，适用性较差。在分析国内外井控装备判废标准的基础上，确定了年限和承压次数为防喷器的主要判废指标。通过防喷器壳体的强度分析，基于材料的S-N疲劳曲线法，计算防喷器壳体疲劳寿命；应用Paris公式对含裂纹缺陷防喷器壳体疲劳寿命进行分析。结果表明：防喷器壳体在额定工况下及试验工况下满足强度要求；以疲劳理论计算出额定工作压力工况下的防喷器的承压循环次数及工作年限远大于标准中要求的指标；含有初始裂纹防喷器壳体的疲劳寿命远小于未含有裂纹的壳体疲劳寿命，且随着初始裂纹尺寸的增加，防喷器壳体的疲劳寿命逐渐降低。通过对防喷器壳体进行疲劳寿命分析，为水下防喷器判废研究提供了一种新思路。

水下防喷器；强度；S-N曲线；疲劳寿命；判废

水下防喷器是半潜式钻井平台进行海洋石油勘探开发与作业的关键设备，其作用是控制井口压力，防止井喷事故发生，保证人员、设备及海洋环境安全[1]。作为重要的安全保障设备，井控设备合理的判废是保证海上钻井安全的重要手段之一。目前，水下防喷器还没有强制判废标准，也没有强制报废的做法，给现场作业带来很大的安全隐患。

国内相关标准规范确定了防喷器判废条件[2-5]，但只针对陆地防喷器，并不适用于海上防喷器(尤其是水下防喷器)的特殊要求。水下防喷器由于其特殊的工作环境及高昂的制造成本，其判废时不能简单套用陆地防喷器的判废标准。本文在研究了陆地防喷器判废条件的基础上，总结了影响防喷器使用寿命的主控参数。以某深水钻井平台双闸板防喷器为研究对象，运用ABAQUS有限元分析软件进行了壳体的强度分析[6-7]，同时计算了防喷器壳体在完好状态及含有初始裂纹缺陷2种条件下的疲劳寿命。该研究为水下防喷器的检修及判废提供理论支持。

1 防喷器判废现状

国际上涉及防喷器的主要标准包括：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，这些标准均没有明确的防喷器判废要求。通过文献检索发现，国外有关井控设备报废研究公开发表文献很少，API、ISO、DNV也没有相关的标准，可供参考的资料很少。

国内，行业标准SY/T 6160—2014《防喷器检查和维修》对井控设备报废制定了相关技术标准。该标准适用于钻井、井下作业用防喷器。标准规定了年限、刺漏、变形、硬度退化、磨损、密封、裂纹、螺纹孔等判废技术指标。

中石油制定了企标Q/CNPC 41—2001《防喷器判废技术条件》，同时用公司文件形式下发了中国石油天然气集团公司井控装备判废管理规定。该标准适用于钻井、修井用的环形、闸板防喷器，未对海上防喷器做出单独规定。标准规定了年限、试压次数、裂纹、变形、硬度退化、磨损、密封、重要螺纹孔、控制油路等判废技术指标。

中石化制定的企标Q/SH 0164—2008《陆上井控装置判废技术条件》。该标准适用于陆地钻井各类防喷器、钻井四通、井控管汇、控制装置和气体分离器。标准规定了试压次数、裂纹、变形、硬度退化、磨损、密封、重要螺纹孔、控制油路等判废技术指标，但没有强制报废的年限要求。

对比分析国内外防喷器检修和认证的实际做法，总结出影响防喷器判废最重要的参数为年限和承压次数2个指标，如表1所示。

表1 国内标准判废条件分析

国内使用的水下防喷器多为进口设备，由于其性能及使用工况的特殊性，无法按照国内通用的判废标准执行，在使用时通常是按照相关检验维修标准及厂家推荐的方法进行检验维修，以确保水下防喷器作业安全。

2 强度分析

作为防喷器组中最重要的承压件，防喷器壳体的寿命决定了整个防喷器的使用寿命。为确保防喷器在役期间安全正常地运行，防喷器壳体必须具备承受作业工况压力下满足强度要求。此外，应力分析的结果是疲劳寿命计算的基础。

2.1 模型建立

本文以某深水钻井平台双闸板防喷器为研究对象。该防喷器主要由闸板密封、侧门密封、液压锁紧等组成，如图1所示。

图1 双闸板防喷器三维模型

在进行壳体强度分析时，为了节省计算空间，提高计算效率，考虑壳体的对称性，采用1/4模型进行模拟计算，同时将双闸板防喷器上一些不影响分析结果的结构简化。

壳体形状结构较为复杂，在纵向上存在较多的尺寸突变，因此采用四面体网格，并对承载面和转角处进行单元细化处理。壳体计算模型共划分单元54 796个，节点11 412个，网格划分如图2所示。

图2 防喷器壳体有限元模型

防喷器壳体力学参数如表2。

表2 防喷器壳体材料力学性能参数

2.2 计算结果分析

在壳体的内部承压面上施加均布压力。模拟施加的内部载荷包括2个级别：工作状态下额定工作压力(70 MPa)及试验状态下的1.5倍额定工作压力(105 MPa)。壳体的外表面上施加作业水深处的静水压力。壳体的上、下表面为固定端，加位移约束；壳体的剖面上加对称约束。

强度校核采用API SPEC 16A[8]推荐的第二种强度校核的方法进行校核，即防喷器壳体所承受最大等效应力不大于材料屈服强度即满足要求。当壳体承受的分别是额定工作压力(70 MPa)与试验状态下的1.5倍额定工作压力(105 MPa)时，防喷器壳体承受的最大等效应力分别为308.5 MPa与500.6 MPa(如图3)，出现在防喷器壳体通径的内壁部分区域。最大等效应力小于屈服极限586 MPa，说明在额定工作压力及静水压试验工作下，该防喷器的壳体强度满足API标准要求。

a 额定工况

b 静水压工况

通过对2种工况的分析，可以发现壳体出现多处高应力区域，主要分布在壳体垂直通孔与闸板腔室孔相贯处、结构突变处以及壳体相对较薄的部位。防喷器壳体这些部位易发生破坏，进而影响使用寿命，需要在防喷器使用及维保过程中重点关注。

3 疲劳寿命预测

防喷器在工作时，频繁地加压泄压，且海上工作环境恶劣，长时间工作时防喷器有可能发生疲劳破坏。对于无初始裂纹的防喷器壳体，依据有限元分析求出的应力幅，并结合S-N曲线可求出其使用寿命[9]。

3.1 S-N曲线选取

防喷器壳体可看作压力容器，因此疲劳曲线可应用ASME《锅炉和压力容器规范》推荐的S-N疲劳曲线[10]。如图4所示。

图4 ASME标准推荐的S-N疲劳曲线

S-N疲劳曲线数学表达式为

lgN=lgC-mlgΔσ

(1)

式中：N为循环次数；Δσ为应力幅；m、C为与材料、裂纹类型等有关的系数，描述材料疲劳裂纹扩展性能的基本参数，由实验确定。而防喷器本体材料未见详细的断裂力学参数，结合《机械工程材料性能数据手册》及ASME标准确定，取m=3，lgC=10.56。

3.2 疲劳计算分析

根据壳体强度计算结果，可以得出防喷器壳体在额定工况下壳体最大应力值，进而可得出循环应力幅。结合疲劳计算公式，参照ASME标准中疲劳设计，疲劳寿命安全系数为20，计算出防喷器的疲劳寿命(承压次数)如表3。

表3 防喷器疲劳寿命

由表3可见，假设防喷器每次都是在满负荷情况下(额定工作载荷)工作，双闸板防喷器的疲劳寿命为5 571次承压循环，远高于标准要求的500次承压次数。

根据防喷器的使用记录，某年作业10口井，每口井防喷器试压使用的频率为8～10次。即在正常作业中，一年开关防喷器80～100次。按100次承压循环算，双闸板防喷器使用年限为55 a，远大于标准要求的15 a或16 a。

以疲劳理论计算出额定工作压力工况下的防喷器的承压循环次数及工作年限远大于标准中要求的指标，说明防喷器通常工作强度及频率在实际使用中极难出现疲劳破坏情况。影响防喷器壳体使用年限首要考虑的是环境条件造成的壳体腐蚀对寿命的影响，而非壳体承受循环压力作用而导致的疲劳破坏。

4 防喷器壳体有裂纹时疲劳寿命估算

由于井内压力大，防喷器反复受到碰撞、冲击等因素，壳体等部件会形成不同类型的裂纹缺陷。因此，防喷器的疲劳寿命是由疲劳裂纹的扩展速率决定。断裂力学在防喷器缺陷评定中的应用，使防喷器的剩余寿命可通过疲劳裂纹扩展规律研究进行预测[11-12]。

4.1 疲劳裂纹扩展原理

断裂力学的剰余寿命计算方法为：获取裂纹的初始尺寸a0和临界尺寸an，根据疲劳扩展公式和疲劳累积算法——Miner法则计算剩余寿命。计算防喷器壳体剩余寿命时也采用这一方法。

对于含有初始裂纹的防喷器壳体，当ΔK超过了其门槛值时，裂纹开始扩展，壳体进入有限寿命期。每一个周期的加载过程中都会增加裂纹深度，即疲劳裂纹扩展率。将裂纹从初始尺寸a0发展到临界尺寸an所经历的循环N称为该裂纹的剩余寿命[13]。裂纹扩展速率由Paris式来表示。

(2)

当防喷器壳体受等幅载荷作用时，直接对疲劳裂纹扩展式积分可得到相应的疲劳寿命。防喷器壳体的寿命就是由初始裂纹a0扩展到临界裂纹an所需要的载荷循环数Nn，积分得疲劳寿命为

(3)

式中：a为与材料、裂纹类型等有关的系数；σ为截面的应力幅值，MPa。

根据K判据，当K=K1c，可得带裂纹防喷器壳体的临界裂纹an为

(4)

到目前为止，对初始裂纹还没有统一的定义。对于防喷器的初始裂纹，一般是通过无损检测方法确定，将实际测得的裂纹深度，定为初始裂纹尺寸a0。

4.2 含裂纹疲劳寿命计算与分析

图5 初始裂纹深度与承压次数关系曲线

由图5可知，随着初始裂纹深度的增加，防喷器壳体的疲劳寿命(承压次数)逐渐降低。在初始裂纹深度小于1 mm时承压次数降低速率大，即使很小的尺寸增加都会大幅降低防喷器使用寿命，说明在防喷器的使用中要特别注意检查微小裂纹。通过计算结果可以看出，含有初始裂纹的疲劳寿命相对比远小于未含有裂纹的壳体疲劳寿命，说明初始裂纹的存在对防喷器壳体的寿命有决定性的影响。

文献[5]规定，防喷器每3 a法定检验，进行无损检测。以该防喷器为例，在正常作业中，1 a开关防喷器80～100次，即检测周期为300个承压循环。按照图5计算结果，理论上防喷器安全使用的允许裂纹深度应该小于7.9 mm。

5 结论

1) 通过对水下双闸板防喷器壳体进行有限元分析，获得了在额定工作压力下壳体的应力分布云图和应力集中区域，并按照API SPEC 16A标准中的方法进行了强度校核，校核结果满足标准要求。

2) 以疲劳理论计算出额定工作压力工况下防喷器的承压循环次数及工作年限远大于标准的要求。说明以防喷器实际的工作强度及频率，使用中极难出现疲劳破坏情况。

3) 含有初始裂纹的疲劳寿命远小于未含有裂纹的壳体疲劳寿命，说明初始裂纹的存在对防喷器壳体的寿命有决定性的影响。随着初始裂纹深度的增加，防喷器壳体的疲劳寿命(承压次数)逐渐降低。

4) 应考虑防喷器每次开关动作对壳体的磨损、环境腐蚀等工况对壳体寿命的影响。可进行防喷器开关试验，并进行大量防喷器使用寿命的统计，结合防喷器使用频率、作业环境及维护保养状况，综合确定防喷器判废条件。

5) 本研究可为预测含表面裂纹缺陷的水下防喷器壳体的剩余寿命，制定判废标准等提供参考。

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ResearchoftheFatigueLifeandAbandonmentJudgmentofSubseaBOP

WU Qibing，ZHANG Shichao，GE Weifeng，ZHANG Xin，FANG 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

国家自然科学基金项目“体积压裂管柱特殊螺纹接头流固耦合振动机理及密封性研究”(51404198)

吴奇兵(1986-)，男，江西金溪人，工程师，硕士，现从事海洋石油钻完井设备及工艺安全评估工作，E-mail：wuqb@cnooc.com.cn。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.001