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含缺陷海洋焊接結(jié)構(gòu)的安全評定

文檔作者：劉洪偉陶慧琴朱曼歐文檔來源：上海船舶工藝研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月16日
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第27卷第6期
2012年12月
中國海洋平臺
CHINA OFFSHORE PLATFORM
V01．27 No．6
Dec．，2012
文章編號：1001—4500(2012)06—0032—04
含缺陷海洋焊接結(jié)構(gòu)的安全評定
劉洪偉，陶慧琴，朱曼歐
(上海船舶工藝研究所，上海200032)
摘要：應(yīng)用斷裂力學(xué)方法對含缺陷的海洋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工程斷裂評定(ECA)，闡述了工程斷裂評定方法、
步驟，探討了如何獲得更高的評定精度，同時應(yīng)用MSSA軟件給出了海底管道焊接接頭斷裂和疲勞評定的缺
陷容許尺寸，并繪出相應(yīng)的曲線。
關(guān)鍵詞：工程斷裂評定；安全評定；容許尺寸；疲勞
中圖分類號：U692 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Safety Assessment of Marine Welded Structure with Defects
LIU Hong—wei，TAO Hui—qin，ZHU Min—min
(Shipbuilding Technology Research Institute，Shanghai 200032，China)
Abstract：Based on fracture mechanics theory，a procedure of ECA has been carried out
to assess the safety of marine structure with defects．During the assessment，ECA processes
are given in detail and the assessment algorithm is also discussed in order to achieve more ae—
curacy．At the end of the article，tolerable defect size curves for submarine pipeline welded
joints are presented to facilitate marine construction．
Key words：ECA；safety assessment；tolerable size；fatigue
0 前言
在世界范圍內(nèi)，隨著陸地能源的逐步枯竭，人們開始尋求海洋油氣資源的開發(fā)。近年，在全球發(fā)現(xiàn)的較
大的油氣田中，海洋油氣田的比例已經(jīng)占到總數(shù)的60％以上，而且油氣資源的開采正從淺海向深海發(fā)展。
海上油氣的開采和輸送需要依賴海洋石油平臺、海底管線等設(shè)施，這些設(shè)施在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中，常年
經(jīng)受著暴風(fēng)、巨浪、洋流以及浮冰的威脅，因此海洋結(jié)構(gòu)的安全備受人們的關(guān)注。
為了保證海洋結(jié)構(gòu)的安全，無論是在施工階段還是在服役階段都不允許缺陷存在，否則就要作返修或者
報廢處理。隨著斷裂力學(xué)和焊接技術(shù)的發(fā)展，合于使用(fit—for—purpose)[13原則受到人們的重視，其實質(zhì)
是允許缺陷的存在，但是必須保證海洋結(jié)構(gòu)在有效壽命周期內(nèi)是絕對安全的。
1 評定方法
英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會提出的BS7910((焊接結(jié)構(gòu)中缺陷的可接受性評定方法》[23是世界公認(rèn)的工程斷裂評定
(ECA)方法之一，標(biāo)準(zhǔn)包括了結(jié)構(gòu)的疲勞評定方法和斷裂評定方法。
收稿日期：2012—05—09； 修改稿收到日期：2012—11—15
作者簡介：劉洪偉(1969一)，男，高級工程師。
萬方數(shù)據(jù)
第6期劉洪偉，等含缺陷海洋焊接結(jié)構(gòu)的安全評定
1．1疲勞評定原理
基于斷裂力學(xué)方法的Paris裂紋擴展定律，計算初始裂紋a。到臨界裂紋a，的區(qū)間上進(jìn)行積分，求出結(jié)
構(gòu)的剩余壽命。結(jié)構(gòu)剩余壽命的計算公式如下：
da／dN—A(△K)“ (1)
r一而黑麗一A(加)”N (2)Y J。， ”(?？?州2 ?一7 ?
式中：如／州為裂紋擴展速率；A和m是由材料、加載條件，環(huán)境、循環(huán)頻率決定的常數(shù)；△K為應(yīng)力強度因子
范圍；y為應(yīng)力強度因子修正系數(shù)[2’3]。
在循環(huán)應(yīng)力的作用下，如果應(yīng)力強度因子大于裂紋擴展到門檻值，那么裂紋將沿著長度、深度方向擴展。
裂紋擴展后，裂紋的實際尺寸為上一個裂紋尺寸加上裂紋增量，即(n 7+血)和(c7+&amp;amp;)，每個應(yīng)力循環(huán)后裂
紋的增量計算公式如下：
缸一A(△Kn)m
(3)
&amp;amp;一A(△K。)”
式中：△K。為裂紋最深點處的應(yīng)力強度因子；△K。為裂紋長軸尖端處的應(yīng)力度調(diào)因子。
從上面的原理可知，如果已知結(jié)構(gòu)經(jīng)受的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，就可以根據(jù)裂紋的臨界尺寸計算出疲勞評定
的缺陷容許尺寸。
已知平面缺陷等效尺寸的情況下，評定的具體過程包括以下幾個步驟：首先，求出裂紋的臨界尺寸a，；
其次，確定裂紋的擴展常數(shù)A、m和應(yīng)力強度因子門檻值dlK虎；第三，求出應(yīng)力強度因子范圍△K；第四，求
出每個循環(huán)產(chǎn)生的裂紋增量；重復(fù)步驟三、四直到達(dá)到裂紋的極限尺寸或到達(dá)指定的設(shè)計壽命為止。
1．2斷裂評定方程
疲勞評定使用的臨界裂紋尺寸，需要根據(jù)斷裂評定中的FAD(Fracture Assessment Diagram)評定曲線
方程求解。FAD圖是評定曲線與坐標(biāo)軸包圍成一個區(qū)域，落入?yún)^(qū)域內(nèi)的評定點所代表的缺陷可以接受，否
則不可接受，落在評定曲線上的值為缺陷的臨界值。二級斷裂評定是常規(guī)的評定方法，實際中使用最多。
(1)2A級評定曲線方程
橫坐標(biāo)載荷比率評定曲線方程如下：
L，一塹(4)
dy
縱坐標(biāo)斷裂比率評定曲線方程如下：
當(dāng)L，≤L～。，K，一(1—0．14L；)[-o．3+0．7exp(一0．625L：)] (5)
當(dāng)L，>L～。，K，一0
式中：L～。一(ay+d。)／(2ag)，ay和盯。分別是屈服強度和抗拉強度，典型低合金鋼和焊縫L～。一1．15；典型
碳鋼和奧氏體焊縫L～。一1．25；典型奧氏體母材L～。一1．8。
對于具有不連續(xù)屈服曲線或者不能確定沒有不連續(xù)曲線的，應(yīng)該使用2B級評定或者取L，一1。
(2)2B級評定曲線方程
2B級評定適用于母材和所有類型焊縫金屬，不適用于熱影響區(qū)HAZ的評定。2B級評定時需要特定的
應(yīng)力一應(yīng)變曲線，它的評定結(jié)果比2A級更精確。評定曲線基本方程如下：
當(dāng)Lr≤L舢x，K，一(％+是)“一(6)
當(dāng)L，>L～。，K，一0
式中：e。，為單軸拉伸真應(yīng)力一應(yīng)變曲線上真應(yīng)力(L，盯y)對應(yīng)的真應(yīng)變。
當(dāng)沒有真應(yīng)力應(yīng)變圖時，真應(yīng)力吼和真應(yīng)變e?？梢詮墓こ虘?yīng)力應(yīng)變換算得來。
2 評定參數(shù)
2．1管道參數(shù)
萬方數(shù)據(jù)
中國海洋平臺第27卷第6期
管道外徑西323．9 mm，壁厚t一12．7 mm。管道的環(huán)焊縫采用半自動焊，焊縫分6層焊完，蓋面焊縫由
2層焊縫焊成。8焊道環(huán)縫韌帶尺寸一般取為1～2
個焊道高度，韌帶尺寸P一2．1 mm。
2．2材料性能
API 5L X56管線鋼母材和焊縫金屬的力學(xué)性
能列于表1中，工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1和圖2所
示。
600
500
400
曼300
200
100
O
0 00 0．02 0．04 0．06 008 0．10 0．12 O 14 0．16
e
表l管線屈服強度和抗拉強度
600
500
400
曼300
200
100
O
圖1 wl試樣的工程應(yīng)力一應(yīng)變圖圖2 W2試樣的工程應(yīng)力一應(yīng)變圖
2．3靜態(tài)應(yīng)力和動態(tài)(循環(huán))應(yīng)力參數(shù)
對管道鋪設(shè)的各個站點進(jìn)行應(yīng)力分析，15 m水深處的最大應(yīng)力為200．9 MPa。
動態(tài)應(yīng)力是在動態(tài)因子Q取最大值即Q一25％時，所得到的應(yīng)力范圍Aa=100．45 MPa。鋪設(shè)時每個
接頭所經(jīng)受應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為3718次。
3 評定計算
環(huán)形焊縫在焊態(tài)條件下，垂直缺陷(平行焊接方向)方向的殘余應(yīng)力未知時，殘余應(yīng)力的確定方法有兩
種：(1)保守地認(rèn)為殘余應(yīng)力沿壁厚是均勻的，應(yīng)力值取金屬和母材屈服極限的最小值；(2)低熱輸入(25～54
J／mm)的管道對接接頭的應(yīng)力分布剖面如圖3所示。
海底管道表面涂有混凝土保護層，管道接頭處用膠
泥防護。因此焊縫接頭處的裂紋擴展定律參數(shù)‘23按照鋼
制空氣中數(shù)據(jù)選取，應(yīng)力因子范圍△K。以及裂紋擴展常
數(shù)m和A如表2所示。
表2疲勞裂紋擴展定律參數(shù)
7；
厶
至一
b
，、
毯
接
鎂
星
鼙
； ／
‘，，J一
| ／7
／ | ／
＼ ／，7
、／
，
、，q／
0 2 4 6 8 10 12 14
焊趾處測量距離(z／mm)
將應(yīng)力、缺陷尺寸等參數(shù)帶入作者開發(fā)的MSSA軟圖3殘余應(yīng)力在壁厚方向上的分布
件中進(jìn)行求解計算，在計算過程中，軟件自動斷裂紋尖端應(yīng)力因子范圍值是否超過Paris定律兩段線擴展線
轉(zhuǎn)換點的△K值，以選取合適的m和A常數(shù)，在應(yīng)力強度因子△K接近門檻值時使用等效△K吖對AK進(jìn)
行修正。
萬方數(shù)據(jù)
第6期劉洪偉，等含缺陷海洋焊接結(jié)構(gòu)的安全評定
4 計算結(jié)果
15 m水深含有埋藏裂紋的管道的容許裂紋尺寸如表3和圖4、圖5所示，下面表中的容許裂紋尺寸是臨
界裂紋尺寸除以安全因子(SF一1．1)得到的值。
表3埋藏裂紋2級評定的裂紋容許尺寸(錯邊量e一0．15 t)
2A級容許裂紋尺寸
斷裂容許尺寸mm 疲勞容許尺寸mm
長度2c 深度2a 長度2c 深度2a
2B級容許裂紋尺寸
斷裂容許尺寸mm 疲勞容許尺寸mm
長度2c 深度2a 長度2c 深度2a
0 50 loo 150 20(1 250 300 350 400
裂紋長2c／mm
圖5 2A級評定容許曲線
曼
毒
高
罐
囂
群
0 50 100 150 200 250 300 350 400
裂紋長2c／nml
圖6 2B級評定容許曲線
進(jìn)行積分計算時，一般是將積分期間劃分成無數(shù)小的區(qū)域，應(yīng)力強度因子使用的是小區(qū)問上平均值，積
分區(qū)間劃分得越小積分結(jié)果越精確。但是，這種算法的計算結(jié)果有一定的誤差。如果裂紋每經(jīng)受一次應(yīng)力
循環(huán)，就計算一次裂紋的尺寸和裂紋尖端應(yīng)力強度因子，那么每次應(yīng)力循環(huán)都可以清楚地反映裂紋前沿的形
狀，計算結(jié)果也更能反映裂紋擴展的真實情況。
裂紋在長軸和短軸兩個方向的擴展，一般采用成比例擴展的假設(shè)，硅然它不能真實地反映裂紋的實際擴
展情況，應(yīng)以裂紋尖端的應(yīng)力強度因子是否大于裂紋擴展的門檻值△K。作為判斷依據(jù)，裂紋每經(jīng)受一次應(yīng)
力循環(huán)，則計算一次裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，如果應(yīng)力強度因子大于門檻值△K歷，那么就計算每次應(yīng)力
(下轉(zhuǎn)第55頁)
O
9
8
7
6
5
E{N碹蒜1眭
萬方數(shù)據(jù)
第6期曹士峰．等新式海水提升泵塔在自升式鉆井平臺中的應(yīng)用
立管西351×8；撐管垂180×8
4．4載荷
波浪、海流載荷根據(jù)程序計算結(jié)果自動施加，風(fēng)載荷根據(jù)實際作用位置施加在海水提升泵架結(jié)構(gòu)上。
工況按自存工況考慮：波高取為9．3 ITI，周期8．9 S，流速1．285 m／s；風(fēng)速取為51．5 m／s。
4．5強度計算結(jié)果
結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1．10，則其許用應(yīng)力為：
[司一以／1．25—188．0 MPa
實際計算結(jié)果最大應(yīng)力為124．853 MPa，小于許用應(yīng)力，均滿足規(guī)范要求。海水提升泵架應(yīng)力分布如圖
6所示。
圖5海水提升泵架計算模型圖圖6海水提升泵架應(yīng)力分布圖
參考文獻(xiàn)
[1]陳宏．自升式鉆井平臺的發(fā)展綜述[J3．中國海洋平臺．2007(6)．
(上接第35頁)
循環(huán)作用后裂紋的擴展量。這種算法能比較真實地反映裂紋尖端的擴展情況。
5 結(jié)論
(1)在缺陷容許尺寸曲線圖中，位于相應(yīng)容許尺寸下方的缺陷認(rèn)為可以接受。
(2)當(dāng)管線經(jīng)受應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較大時，應(yīng)采用考慮疲勞的裂紋容許尺寸曲線。
(3)結(jié)構(gòu)每經(jīng)受一次循環(huán)應(yīng)力則計算一次裂紋尖端△K的算法，避免了因劃分積分區(qū)間造成△K階越
而導(dǎo)致的誤差，更趨于裂紋尖端的真實情況，結(jié)果更為精確。
(4)缺陷容許尺寸曲線圖可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)實際，對指導(dǎo)生產(chǎn)一定的價值。
參考文獻(xiàn)
[1]霍立必．焊接結(jié)構(gòu)工程強度[M]．北京：機械工業(yè)出版社．1995。274—275．
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bility of flaws in metallic strucres[-S-]．Londons，2005
[3]Connelly M，Zettlemoyer N．Stress concentration at girth welds of tubulars with axial wall misalignment[CJ．Proc．
Cord．5th International Symposium of Tubular Structures．Nottingham UK，August．1993．
萬方數(shù)據(jù)

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