不同標(biāo)準(zhǔn)在海上平臺起重機(jī)疲勞壽命評估中的對比分析

王 欣，楊智棕，馮超群（.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連603；.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津30045）

不同標(biāo)準(zhǔn)在海上平臺起重機(jī)疲勞壽命評估中的對比分析

王 欣1，楊智棕1，馮超群2
（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116023；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津300425）

選取國外4個權(quán)威的疲勞評估標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，從名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法兩方面對它們進(jìn)行了全面詳細(xì)的對比.結(jié)果顯示，在海上平臺起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估時，可以借鑒DNV和IIW推薦的方法，能夠得到合理有效的壽命預(yù)測結(jié)果.

海上平臺起重機(jī)；疲勞壽命評估；標(biāo)準(zhǔn)比較；名義應(yīng)力法；熱點(diǎn)應(yīng)力法

海上平臺起重機(jī)是海上鉆井或生產(chǎn)平臺上人員和物資的重要運(yùn)輸裝置.由于作業(yè)頻繁、環(huán)境惡劣（海風(fēng)、潮濕等），海上平臺起重機(jī)結(jié)構(gòu)長期承受交變載荷，極有可能發(fā)生疲勞破壞［1］.目前，國內(nèi)外多數(shù)疲勞壽命評估標(biāo)準(zhǔn)只是針對焊接結(jié)構(gòu)，缺少專門針對海上平臺起重機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估標(biāo)準(zhǔn).美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API Specification 2C2012《海上平臺起重機(jī)規(guī)范》只是推薦采用熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行壽命評估［2］，具體的操作流程沒有作詳盡的說明.因此，對海上平臺起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命評估時，主要是在國內(nèi)外各個結(jié)構(gòu)件疲勞評估標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，借鑒應(yīng)用其標(biāo)準(zhǔn)化的S-N曲線，并采用名義應(yīng)力法或熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行評估.

本文主要探討和對比以下4個標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：美國船級社《近海結(jié)構(gòu)疲勞評估導(dǎo)則》［3］（以下簡稱A BS）、英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會BS 7608—1993《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評估標(biāo)準(zhǔn)》［4］（以下簡稱BS）、挪威船級社DNV-R P-C 203《近海鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)推薦做法》［5］（以下簡稱DNV）、國際焊接學(xué)會IIW document XIII-1965-03/XV-1127-03《焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)推薦文檔》［6-7］（以下簡稱IIW）.它們的評估流程大致相同，只是在名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法選擇上存在差異，因此本文采用這兩種方法對上述4個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，力圖尋求適合海上平臺起重機(jī)疲勞壽命評估的標(biāo)準(zhǔn)，以提高疲勞評估和壽命預(yù)測的精度.

1　海上平臺起重機(jī)及疲勞壽命評估流程

1.1海上平臺起重機(jī)概述

海上平臺起重機(jī)是海洋石油勘探生產(chǎn)中最重要的生產(chǎn)和安全設(shè)備之一，通常安裝在鉆井和生產(chǎn)作業(yè)平臺上［2］，供海上平臺內(nèi)或平臺與船舶之間吊運(yùn)貨物或人員.作為特種設(shè)備，海上平臺起重機(jī)對海上生產(chǎn)及生活具有重大影響，一旦關(guān)鍵部位發(fā)生失效就會造成較大的人身傷亡或財(cái)產(chǎn)損失.疲勞失效是海上平臺起重機(jī)最主要的失效方式之一，這是起重機(jī)結(jié)構(gòu)長期承受交變載荷所造成的，一般在焊趾應(yīng)力集中處容易發(fā)生疲勞破壞.所以有必要對海上平臺起重機(jī)進(jìn)行疲勞壽命評估，但目前缺少專門針對海上平臺起重機(jī)的疲勞壽命評估標(biāo)準(zhǔn).現(xiàn)有的疲勞壽命評估標(biāo)準(zhǔn)只是針對焊接結(jié)構(gòu)，且表述方式和涵蓋面有所不同，因此需要對其進(jìn)行分析比較，選取合適的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為評估的依據(jù).

1.2疲勞壽命評估流程

各標(biāo)準(zhǔn)對疲勞壽命評估的流程［8］基本一致，分為以下幾步：

（1）結(jié)構(gòu)有限元分析，確定危險部位.

（2）如果有動應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，經(jīng)編譜分析獲得危險部位應(yīng)力幅值譜，然后轉(zhuǎn)到步驟（4）.

（3）如果沒有動應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，只有載荷譜，則可通過載荷譜及有限元模型獲得危險部位的應(yīng)力幅值譜.

（4）選擇合適的評估方法.通常可以選用名義應(yīng)力法或者熱點(diǎn)應(yīng)力法.

（5）根據(jù)損傷計(jì)算公式，計(jì)算累積損傷.

（6）根據(jù)載荷譜或動應(yīng)力譜所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，由Miner公式計(jì)算危險部位的壽命.

上述4個標(biāo)準(zhǔn)在疲勞壽命評估流程中的區(qū)別主要體現(xiàn)在第（4）步評估方法選擇上.名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法在評估時分別有不同的規(guī)定和描述，所以本文對這兩種方法的差異進(jìn)行探討.

2　名義應(yīng)力法

名義應(yīng)力法是目前應(yīng)用較廣泛的方法，它以名義應(yīng)力為基本參數(shù)，可對簡單零構(gòu)件及常見結(jié)構(gòu)進(jìn)行全壽命評估，具體流程參見1.2節(jié).各標(biāo)準(zhǔn)名義應(yīng)力法評估的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在名義應(yīng)力S-N曲線規(guī)定及修正、焊接細(xì)節(jié)、疲勞強(qiáng)度等級分類等方面.

2.1名義應(yīng)力S-N曲線

S-N曲線表征了材料、典型結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)或整個零部件不同應(yīng)力水平與對應(yīng)疲勞壽命間的數(shù)學(xué)關(guān)系，反映了結(jié)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度，是金屬部件尤其是焊接結(jié)構(gòu)有限壽命設(shè)計(jì)的必備數(shù)據(jù)［9］.名義應(yīng)力法用一組具有特定存活率的S-N曲線來表征焊接細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度.正應(yīng)力S-N曲線一般用式（1）確定，切應(yīng)力S-N曲線與之類似.

式中：N為用循環(huán)次數(shù)表示的疲勞壽命；CPS表示存活率為PS時曲線在N軸上的截距；m為雙對數(shù)坐標(biāo)系下正應(yīng)力S-N 曲線斜率的負(fù)倒數(shù)；Δσn o m為加載循環(huán)的名義正應(yīng)力范圍.

各標(biāo)準(zhǔn)中的S-N曲線使用的都是雙對數(shù)坐標(biāo)系，縱坐標(biāo)對應(yīng)力范圍Δ σ取對數(shù)，橫坐標(biāo)對循環(huán)次數(shù)N取對數(shù)，如圖1所示.曲線上拐點(diǎn)表示常幅疲勞極限點(diǎn)，在拐點(diǎn)之前和之后的斜率分別為主斜率m1和副斜率m2.A BS和BS的S-N曲線中，B等級主斜率m1=4，C等級主斜率m1=3.5，其余等級主斜率均為3.DNV的S-N曲線中，除了等級B 1和B 2主斜率m1=4以外，其余等級主斜率均為3. IIW所有等級主斜率均為3.所有標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線的副斜率值均為m2=m1+2.

由圖1可見，ABS和BS的S-N曲線基本類似，曲線整體偏下，而DNV和IIW的S-N曲線則整體靠上.對于主斜率m1=3的S-N曲線而言，該結(jié)果是在疲勞壽命主要為裂紋擴(kuò)展壽命這一保守假設(shè)下確定出的［9］，基本符合實(shí)際情況，尤其是低疲勞強(qiáng)度等級的焊接細(xì)節(jié).

2.2S-N曲線修正

S-N曲線反映了結(jié)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度，而影響疲勞強(qiáng)度的因素很多，歸納起來有材料本質(zhì)、零件狀態(tài)和工作條件等，因此結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估時要對SN曲線進(jìn)行修正.板厚是描述零件狀態(tài)的重要參數(shù)，且對疲勞強(qiáng)度影響很大，因此本文主要比較板厚修正對S-N曲線的影響.

對于相同的應(yīng)力范圍，結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度會隨著板厚的增大而降低，這是一種尺寸效應(yīng)，即焊趾處的局部幾何形狀受附近的板厚尺寸及沿厚度方向應(yīng)力分量的影響.板厚修正公式為：

圖1　4個標(biāo)準(zhǔn)的名義應(yīng)力S-N曲線Fig.1Nominal stress S-N curve for four codes

式中：Δ σt為修正后該構(gòu)件的應(yīng)力范圍；Δ σ為未修正時該構(gòu)件對應(yīng)疲勞等級的應(yīng)力范圍；tref為參考板厚；t為待評估構(gòu)件的板厚，若t≤tref，取t=tref；n為厚度修正系數(shù).

A BS規(guī)定，對于非管接頭參考板厚tref=22mm，管接頭tref=32mm，即待評估構(gòu)件的板厚t＞tref時按式（2）修正，且厚度修正系數(shù)n=0.25.BS厚度修正也使用式（2），n=0.25，只是參考板厚tref= 16mm；且規(guī)定，焊縫余高經(jīng)過機(jī)械打磨平整則不需要厚度修正.DNV規(guī)定非管接頭tref=25mm，管接頭tref=32mm，厚度修正系數(shù)n如表1所示.

表1　DNV厚度修正系數(shù)nTab.1DNV thickness modified exponent n

IIW規(guī)定，對于圖2所示接頭，tref=25mm，當(dāng)焊趾間距L滿足L/t≤2時，tref=0.5L，否則t= tref，厚度修正系數(shù)n見IIW規(guī)范［6-7］.

圖2　焊趾間距Fig.2 Weld toe distance

4個標(biāo)準(zhǔn)對厚度修正都采用式（2），只是參考板厚和厚度修正系數(shù)選取不同.其中DNV給出了每個疲勞強(qiáng)度等級下的厚度修正系數(shù)，較為具體和詳細(xì)，疲勞評估時可以優(yōu)先參考DNV的厚度修正方法.另外，厚度修正不但適用于名義應(yīng)力法疲勞壽命評估，而且適用于熱點(diǎn)應(yīng)力法疲勞壽命評估.

2.3焊接細(xì)節(jié)

各標(biāo)準(zhǔn)中每條S-N曲線均對應(yīng)于具有相近疲勞性能的焊接細(xì)節(jié)，其疲勞性能與接頭形式及受力情況有關(guān)，與材料的靜強(qiáng)度無關(guān).對于海上平臺起重機(jī)，箱型臂中存在很多橫向、縱向、十字和丁字焊接接頭，管接頭多見于桁架臂上，如圖3所示.

圖3　幾種典型接頭細(xì)節(jié)實(shí)例Fig.3 Several typical examples for joints detail

表2給出了各標(biāo)準(zhǔn)中接頭細(xì)節(jié)類型與個數(shù).從表中不難發(fā)現(xiàn)，DNV和IIW中接頭形式最多，特別是IIW包括了多達(dá)76個焊接接頭的S-N曲線，對實(shí)際工程應(yīng)用非常有利.

表2　各標(biāo)準(zhǔn)中接頭細(xì)節(jié)類型與個數(shù)Tab.2 Joint detail type and number of four codes

2.4疲勞強(qiáng)度等級

IIW用FAT值表征疲勞強(qiáng)度等級，它指的是S-N曲線中2×106次應(yīng)力循環(huán)點(diǎn)所對應(yīng)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其余3個標(biāo)準(zhǔn)均以1×107次循環(huán)所對應(yīng)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)來劃分疲勞強(qiáng)度等級.為了便于比較，筆者計(jì)算了其余3個標(biāo)準(zhǔn)中的FAT值.表3是4個標(biāo)準(zhǔn)中一些主要接頭形式的FAT值對比.

評估時根據(jù)所選焊接細(xì)節(jié)及受力方式選擇對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度等級，進(jìn)而選擇相應(yīng)的S-N曲線.由表3可見，A BS和BS曲線的FAT值完全一致.對絕大多數(shù)接頭細(xì)節(jié)，DNV和IIW曲線的FAT值都低于另兩個標(biāo)準(zhǔn)，且它們的FAT值較為一致，對于某些焊接細(xì)節(jié)，其FAT值幾乎相同.IIW標(biāo)準(zhǔn)對焊接細(xì)節(jié)的分類比較詳細(xì)［9］，提供了多達(dá)14條疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線，且對各焊接細(xì)節(jié)的制造工藝亦有最為明確和詳細(xì)的規(guī)定.

3　熱點(diǎn)應(yīng)力法

熱點(diǎn)應(yīng)力法主要針對焊縫疲勞進(jìn)行壽命評估［10］，以熱點(diǎn)應(yīng)力為基本評估參數(shù)，在工程上很受歡迎.它不需要考慮由焊縫本身引起的非線性應(yīng)力峰值的影響，而且理論上可以只用一條S-N曲線來評估不同類型焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，避開了名義應(yīng)力法的缺陷［11］.具體評估流程參見1.2節(jié).使用熱點(diǎn)應(yīng)力法時，如何獲取熱點(diǎn)應(yīng)力以及選擇準(zhǔn)確的熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線顯得尤為重要，因此下面從這兩方面對各標(biāo)準(zhǔn)的熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行對比分析.

3.1熱點(diǎn)應(yīng)力的獲取

如圖4所示，結(jié)構(gòu)中的“熱點(diǎn)”是指結(jié)構(gòu)不連續(xù)或者切口中可能發(fā)生疲勞裂紋的位置，而這些位置中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值被稱為“熱點(diǎn)應(yīng)力（σh s）”，它主要由線性的膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力組成.熱點(diǎn)應(yīng)力法不需要考慮由焊縫局部細(xì)節(jié)引起的非線性應(yīng)力集中，因此需要剔除缺口應(yīng)力中的非線性應(yīng)力成分，而結(jié)構(gòu)應(yīng)力是線性應(yīng)力，因此可以使用表面外推插值法對焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行提?。?2］.目前，各個標(biāo)準(zhǔn)獲取熱點(diǎn)應(yīng)力大多采取有限元分析或者貼應(yīng)變片獲取的方法，而它們對于插值點(diǎn)的規(guī)定又不盡相同.

圖4　兩點(diǎn)線性外推法示意圖Fig.4 Stress extrapolation with two points

A BS推薦外推點(diǎn)選取在距離焊趾0.5t和1.5t（t為板厚）處，但是在管接頭評估時要考慮應(yīng)力集中系數(shù)的影響.BS規(guī)定，典型接頭的熱點(diǎn)應(yīng)力等于應(yīng)力集中系數(shù)乘以名義應(yīng)力，對于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力集中系數(shù)不適用的接頭，通過距焊趾0.4t或者更遠(yuǎn)處的應(yīng)力來外推熱點(diǎn)應(yīng)力.DNV推薦了兩點(diǎn)線性外推公式和適用于管接頭的外推公式，前者在距離焊趾0.5t和1.5t處分別測量應(yīng)力值，外推公式為式（3）；后者對于弦桿和腹桿分別取不同的外推點(diǎn)，如圖5所示，外推公式為式（4）.式中：X1和X2表示外推點(diǎn)的位置，對于弦桿，X1=0.2，X2=0.4；對于腹桿，X1=0.2，X2=0.65.其中的r和R分別是腹桿和弦桿半徑，t和T分別是腹桿和弦桿壁厚.

圖5　管接頭熱點(diǎn)應(yīng)力插值Fig.5 Stress extrapolation for tubular joint

圖6　IIW推薦的熱點(diǎn)應(yīng)力外推插值方法Fig.6 Hot spot stress extrapolation for IIW

表3　標(biāo)準(zhǔn)中典型接頭細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度FAT值Tab.3 FAT values of typical joints detail in codes

IIW推薦了兩點(diǎn)線性外推和三點(diǎn)兩次外推插值方法，如圖6所示.前者在距離焊趾0.4t和1.0t處分別取兩點(diǎn)測其應(yīng)力值，然后進(jìn)行線性插值得到熱點(diǎn)應(yīng)力，外推公式見式（5）；后者分別在距焊趾0.4t，0.9t和1.4t處選取插值點(diǎn)，外推公式見式（6）.

σh s=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t（5）

σh s=2.52σ0.4t-2.24σ0.9t+0.72σ1.4t（6）

海上平臺起重機(jī)疲勞壽命評估主要針對管接頭和板接頭.在管接頭上應(yīng)用較多的是表面線性插值外推法，雖然三點(diǎn)兩次外推法更加精確，但是不同的表面線性插值法對結(jié)果的影響并不大［10］，因此可以選取DNV推薦的更為適合管接頭的表面插值方法；板接頭用熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命估算時，外推插值可以選取DNV推薦的式（3）或者IIW推薦的式（5）. 3.2熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線

各標(biāo)準(zhǔn)都做了大量的試驗(yàn)以確定熱點(diǎn)應(yīng)力SN曲線.其中A BS規(guī)定，對于非管接頭，推薦將圖1a中的E曲線作為熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線；對于管接頭有專門的一條T（A）曲線.BS對于管接頭給出了T曲線，它是一條理想的熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線，近似于IIW中的FAT 90曲線.DNV推薦將圖1c中的D曲線作為熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線，對于管接頭給出了T曲線，它和D曲線是一致的.IIW給出了7種典型板接頭的熱點(diǎn)應(yīng)力FAT等級，對應(yīng)的曲線參考圖1d，對于管接頭沒有直接可以選用的熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線.圖7將各標(biāo)準(zhǔn)中的熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線作了匯總.

從以上分析和圖7可知，除了A BS中適用于非管接頭的E曲線之外，其余標(biāo)準(zhǔn)中熱點(diǎn)應(yīng)力S -N曲線和IIW給出的FAT 90曲線幾乎重合，使用時可直接選用FAT 90曲線.評估時熱點(diǎn)應(yīng)力SN曲線與外推插值方法應(yīng)取自同一標(biāo)準(zhǔn).

圖7　不同標(biāo)準(zhǔn)的熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線Fig.7 Hot spot stress S-N curve for various codes

4　結(jié)語

（1）對海上平臺起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命評估時，如果可以在標(biāo)準(zhǔn)中找到待評估的接頭類型以及S-N曲線，可以用名義應(yīng)力法進(jìn)行壽命估算；對于更復(fù)雜的焊接接頭，有時難以明確接頭的分類、名義應(yīng)力的大小和分布位置，推薦使用熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行壽命評估.

（2）4個標(biāo)準(zhǔn)中，IIW對焊接細(xì)節(jié)分類、制造工藝等方面描述最為詳細(xì)，也更為實(shí)用和符合實(shí)際，因此采用名義應(yīng)力法進(jìn)行評估時，優(yōu)先考慮采用IIW.

（3）使用熱點(diǎn)應(yīng)力法評估時，對于管接頭，DNV給出了專門的熱點(diǎn)應(yīng)力外推公式以及S-N曲線；對于板接頭可以參考DNV或者IIW，這對海上平臺起重機(jī)結(jié)構(gòu)壽命評估有借鑒意義.

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ZHOU Zhangyi，LI Fu，HUANG Yunhua.Study of fatigue strength assessment of welds based on hot spot stress［J］.Diesel Locomotives，2008（7）：1-5.

Comparative analysis on different standards for offshore crane fatigue life assessment

WANG Xin1，YANG Zhi-zong1，F(xiàn)ENG Chao-qun2
（1.School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China；2.CNOOC Energy Technology &Services-Oilfield Construction Engineering Co.，Tianjin 300425，China）

By selecting four authoritative standards or norms，the detailed comparisons are conducted using the nominal stress and hot-spot stress methods.For the fatiague life assessment on offshore cranes， it is indicated from results that the methods recommended by DNV and IIW are acceptable for rational life prediction.

offshore crane；fatigue life assessment；standard comparison；nominal stress method；hotspot stress metho

TG 405

A

1672-5581（2015）06-0550-06

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAF 04B 01）；國家質(zhì)檢總局科技項(xiàng)目（2014QK 093）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金（BY 2012089）；中海油能源發(fā)展股份有限公司科技項(xiàng)目（HFKJ-YJ 1305）

王 欣（1972-），女，副教授.E-mail：wangxbd21@163.com