基于表面完整性的海底管道结构总疲劳寿命预测：裂纹萌生与扩展寿命

《International Journal of Fatigue》：Total fatigue life prediction of offshore pipeline structures based on surface integrity: crack initiation and propagation lives

　　

• 提出了一种基于表面完整性的X70海底管道全寿命预测新方法（SI-TLP）。• 采用表面残余应力和粗糙度修正服役应力，并分别通过损伤力学和断裂力学计算裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。• 揭示了表面粗糙度与残余应力对疲劳寿命的耦合效应，并确定了疲劳约束下的表面完整性可行参数范围。

**引言**

管道广泛应用于海上油气运输，其承受复杂的服役载荷。管道的疲劳性能对保障海上油气运输安全具有重要作用[1]。海底管道结构通常采用车削和铣削加工制造，并通过焊接技术逐段连接[2]。传统上，海底管道的服役寿命预测主要从工作应力出发计算裂纹萌生寿命，以进行结构可靠性评估[3]。然而，车削和焊接会产生显著的表面残余应力，微观表面几何形态导致表面应力集中，两者均显著改变疲劳裂纹的萌生与扩展。因此，建立基于表面完整性的全寿命预测方法，阐明表面完整性如何影响疲劳行为，并计算疲劳性能约束下的表面完整性允许范围，对海底管道的设计与安全评估至关重要。

大量研究表明，表面加工条件（包括表面粗糙度、残余应力和制造缺陷）显著影响金属材料的疲劳性能。例如，Zhao等人[4]对渗碳18CrNiMo7-6钢进行了扭转疲劳试验，研究发现残余应力与粗糙度诱导应力集中的叠加显著改变了疲劳寿命，并据此建立了基于连续介质损伤力学的预测模型。Gustafsson等人[5]进一步研究了冲裁和边缘修边后的高强钢板，其研究表明剪切断裂区域的初始残余应力和表面粗糙度共同控制高周疲劳性能，且服役载荷下的应力松弛不可忽视。Solberg等人[6]在316 L不锈钢中识别出一种竞争性失效机制，即在高载荷下内部孔隙控制疲劳失效，而在低载荷下表面粗糙度主导裂纹萌生，突出了表面形貌在各载荷水平下的关键作用。对于海底立管等关键管材构件，表面加工条件对疲劳性能有显著影响，并直接决定其在复杂海洋服役环境下的结构安全。当立管承受交变载荷时，表面缺陷、粗糙度和残余应力场的细微变化通常成为疲劳裂纹萌生的主要原因。Reda等人[7]对无缝碳钢海底管道进行了全尺寸疲劳试验，指出即使是通过常规检验的微小表面缺陷，也可能引发强烈的应力集中和贯穿全壁的疲劳裂纹，即便试件的服役寿命超出设计值。Lai等人[8]对高强钢进行了试验，表明粗糙表面促进表面萌生型疲劳失效，其粗糙度敏感性取决于微观组织和硬度，可为高周疲劳下立管的材料选择和表面处理提供指导。As等人[9]基于实测表面形貌构建有限元模型，克服了传统经验折减因子的不足，将表面几何特征直接纳入应力计算中，以准确预测立管上沟槽和压痕处的局部应力。此外，喷丸强化等表面强化处理可在立管表面产生有利的压缩残余应力，但此类残余应力在服役载荷下的稳定性极易受原始表面质量和腐蚀环境的制约[10]。总之，现有研究证实表面完整性对金属疲劳有很大影响。然而，这些研究大多关注单一阶段寿命评估，或将粗糙度和残余应力作为独立因素处理，对全寿命的耦合效应研究仍不充分。

在金属结构疲劳寿命预测中，传统的基于名义应力的方法或基于总寿命的方法无法区分裂纹萌生与扩展的各自机理，因此分阶段评估对提高预测精度至关重要[11]。Zhan等人[12]将连续介质损伤力学与扩展有限元法相结合，从损伤分布中识别萌生位置，并无缝过渡到线弹性断裂力学进行裂纹扩展分析，从而实现从裂纹萌生到扩展的全寿命预测。Dong等人[13]通过局部应变和断裂力学提出了带缺口件的两阶段寿命模型，采用2–5倍平均晶粒尺寸作为过渡裂纹长度，并考虑了应力梯度和三维约束效应。有限元方法提供了获取服役应力和预测疲劳寿命的有效途径，近年来基于此类数值方法的高精度疲劳预测研究已取得进展。Hao等人[14]采用Abaqus计算逐循环的Smith-Watson-Topper损伤累积，并结合虚拟裂纹闭合技术预测了高周疲劳下缺口的详细寿命。Wang等人[15]针对桥梁焊接接头采用了循环软化亚加载本构模型，纳入了残余应力松弛，并使用塑性损伤和Paris公式计算萌生/扩展寿命。Pan等人[16]对18Ni马氏体时效钢进行了海水腐蚀疲劳有限元分析，发现萌生寿命占总寿命的71%–99%，焊接接头大大缩短了这一阶段。上述研究表明，综合考虑裂纹萌生和扩展寿命是实现准确全寿命预测的基础。然而，该两阶段框架自1970年代以来虽已成熟，但很少应用于全尺寸海底管道结构，现有方法也鲜少在单一框架内统一两阶段与表面完整性，这是具有固有残余应力和粗糙度的焊接结构面临的关键空白。

在疲劳研究中，尤其是高周疲劳下裂纹萌生与扩展的寿命分析，数值模拟是克服高试验成本、长试验周期以及在复杂应力状态下捕捉裂纹演化困难的重要方法。近年来，ANSYS Mechanical中的自适应重网格模块SMART（分离变形和自适应重网格技术）通过自动追踪裂纹前沿而无需手动重建网格，在工程疲劳断裂仿真中表现出显著优势。Savari[17]将SMART与失效评定图结合，研究了螺旋焊缝管在有无复合材料套筒修复条件下的静态和疲劳载荷下的裂纹扩展，验证了其在高精度裂纹轨迹模拟方面的可靠性。Damjanovi?等人[18]将SMART扩展到受损管道试样的深轴向外表面裂纹，并通过修改Newman公式验证了应力强度因子和疲劳寿命的数值精度，将计算误差控制在5%以内。Xiao等人[19]将基于SMART的裂纹扩展计算、S-N曲线和残余应力叠加相结合，建立了带有压残余应力诱导的带缺口构件的高周疲劳预测方法，提高了预测精度。上述研究表明SMART是高周疲劳裂纹分析和寿命评估的可靠且高效方案。然而，现有基于SMART的仿真大多以已有裂纹为起点进行扩展分析，忽略了无缺陷构件中由粗糙度和残余应力控制的裂纹萌生，这限制了其在海底管道全寿命评估中的适用性。

综上所述，尽管大量研究已证明表面完整性显著影响疲劳性能，但现有方法仍存在关键局限，尽管将总寿命分为裂纹萌生和扩展的两阶段框架已经成熟。首先，工程层面的评估通常忽略表面完整性的耦合效应，未考虑表面形貌和残余应力对裂纹萌生的显著影响。其次，学术研究往往只关注单一阶段：要么建模微观损伤演化却不与宏观扩展相衔接，要么从假设的初始裂纹尺寸模拟裂纹扩展而不考虑萌生物理机制和表面质量效应。一种系统地将表面完整性参数整合到从萌生到扩展全过程的全寿命预测方法仍然缺乏。为解决这些空白，本文从三个方面开展研究。第一，将初始残余应力和表面粗糙度统一纳入疲劳寿命计算，建立基于表面完整性的全寿命预测框架，使寿命评估从依赖经验S-N曲线转向机理驱动评估。第二，以实验观测到的宏观裂纹尺寸为物理边界，实现疲劳力学与断裂力学的理论整合，使萌生与扩展之间建立力学关联。第三，通过全尺寸共振疲劳试验对提出的方法进行定量验证，并构建目标寿命约束下的表面完整性参数可行区域，将寿命预测从被动估算提升为主动设计。所提出的方法通过全尺寸X70管试样进行了验证，展示了其在具有表面完整性特征的焊接结构中的适用性。

**试验材料**

X70管道钢是海上油气管道最常用的钢种之一，其化学成分见表1。

X70钢的力学性能见表2 [20]。根据表2数据，X70管道钢的屈服强度为562 MPa，延伸率为24%，0°C下临界裂纹尖端张开位移为0.48 mm。这些性能反映了其高强度、良好延展性和低温断裂韧性。该钢

**管道裂纹萌生寿命预测**

对于无预先缺陷的管道结构，在考虑残余应力效应时，疲劳裂纹通常起源于表面应力峰值位置。因此，本工作中的疲劳寿命计算简化为仅在最大应力点（Pσm）处评估服役寿命[32]。进一步考虑表面粗糙度和残余应力对Pσm处服役应力的修正，以预测裂纹萌生阶段的基于振动的疲劳寿命。

**方法**

本研究采用ANSYS Mechanical内置的SMART模块预测具有已有裂纹的管道结构的疲劳裂纹扩展寿命。SMART技术基于线弹性断裂力学（LEFM）开发，支持完全自动化的裂纹扩展模拟。基于非结构化网格和自适应重网格方案，该方法在裂纹扩展过程中自动更新有限元网格，避免了反复手动重建网格的

**预测精度验证**

在本研究中，管道总服役寿命被分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。裂纹萌生寿命的评估侧重于关键位置的疲劳寿命评估。在残余应力σres = 350 MPa和表面粗糙度系数Kt = 3.3的条件下，计算的裂纹萌生寿命达到2.082×10?循环，而实验测量值为2.104×10?循环，相对误差为1.04%。对于初始裂纹深度为0.5 mm的

**结论**

本研究对全尺寸X70管道的全周期疲劳寿命预测进行了理论和实验研究。建立了基于表面完整性的总寿命预测（SI-TLP）方法，将裂纹萌生寿命和扩展寿命解耦，并通过共振疲劳试验进行了验证。主要结论如下：

（1）所建立的SI-TLP方法成功地将总疲劳过程解耦为裂纹萌生阶段（通过损伤力学在C处评估）

**CRediT作者贡献声明**

Jianxing Yu（余建星）：方法论、资金获取、概念化。Qingming Zou（邹清明）：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、调查研究、数据整理。Yang Yu（禹阳）：软件、资金获取。Peimin Li（李培民）：验证、软件。Yining Jin（金一宁）：验证、软件。

**资金支持**

本工作由油气重大项目（项目编号：2024ZD1403303）资助。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益关系可能会影响本文所报告的研究工作。

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