波浪載荷作用下海洋平臺(tái)用鋼焊接接頭的疲勞壽命預(yù)測(cè)

杜麗影，邱保文，薛 歡，劉 冬，彭志英，余 立

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，武漢 430080)

波浪載荷作用下海洋平臺(tái)用鋼焊接接頭的疲勞壽命預(yù)測(cè)

杜麗影，邱保文，薛 歡，劉 冬，彭志英，余 立

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，武漢 430080)

采用有限元建模分析初始裂紋形狀對(duì)表面裂紋疲勞擴(kuò)展過(guò)程中形狀演化的影響，并基于BS 7910中FAD圖的評(píng)定方法，預(yù)測(cè)了DH36焊接接頭不同形狀的初始裂紋在波浪載荷作用下的疲勞壽命。結(jié)果表明：c0/a0比值大的裂紋在擴(kuò)展開始階段均沿深度方向擴(kuò)展，而長(zhǎng)度方向上擴(kuò)展極慢；而對(duì)于c0/a0比值小的裂紋，在擴(kuò)展過(guò)程中近似保持與初始相似的形狀擴(kuò)展。在波浪載荷的作用下，DH36焊接接頭結(jié)構(gòu)件能承受105 252個(gè)循環(huán)。

焊接；DH36焊接接頭;波浪載荷;有限元分析;疲勞壽命預(yù)測(cè)

海洋平臺(tái)在設(shè)計(jì)和建造中大量采用焊接連接，焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力、微裂紋缺陷及組織性能不均勻等問(wèn)題，同時(shí)受復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式、惡劣的環(huán)境和應(yīng)力集中的影響，在長(zhǎng)時(shí)間的服役過(guò)程中易出現(xiàn)脆性破壞[1-2]。因此材料必須有足夠抵抗焊接接頭微裂紋開裂和擴(kuò)展的能力。考慮到海洋環(huán)境的波浪載荷條件，對(duì)焊接接頭結(jié)構(gòu)件在波浪載荷下進(jìn)行安全評(píng)定至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者分別基于SINTAP和BS7910標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海洋平臺(tái)用鋼焊接接頭的安全性進(jìn)行評(píng)定。劉明亮等[3]用極限載荷法和CTOD裂紋尖端張開位移試驗(yàn)結(jié)果對(duì)API SPEC 5L X65管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋進(jìn)行安全評(píng)定；鄧彩艷等[4]采用SINTAP標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海底外輸管線X56焊接接頭埋藏裂紋進(jìn)行了安全評(píng)定，并給出了在鋪設(shè)條件下容許埋藏裂紋尺寸。但關(guān)于焊接接頭微裂紋缺陷在波浪載荷下的使用壽命預(yù)測(cè)和安全評(píng)定的研究甚少。本研究針對(duì)DH36海洋平臺(tái)用鋼的焊接接頭，運(yùn)用有限元分析焊接接頭在交變載荷作用下裂紋擴(kuò)展規(guī)律，采用BS7910 2B級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DH36海洋平臺(tái)用鋼的焊接接頭在波浪載荷下的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和安全評(píng)定。

1 有限元建模與計(jì)算

在標(biāo)準(zhǔn)BS 7910《金屬結(jié)構(gòu)中缺陷驗(yàn)收評(píng)定方法導(dǎo)則》[5]中，主要采用FAD圖評(píng)定方法。本研究利用Abaqus軟件進(jìn)行有限元建模分析。對(duì)表面裂紋的擴(kuò)展都是基于Newman[6]和Lin[7]研究不同形狀因子的表面裂紋前沿?cái)U(kuò)展規(guī)律的結(jié)果，在疲勞裂紋貫穿以前，表面裂紋形狀一般用半橢圓來(lái)描述。對(duì)一塊1m×2m×50mm的厚板進(jìn)行接頭半橢圓裂紋建立有限元模型。半橢圓形裂紋如圖1所示，裂紋表面長(zhǎng)度c=50mm，裂紋深度a=25mm。

圖1 有限元裂紋模型

采用1/4對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算，焊縫材料的性能與DH36母材性能相同，即等強(qiáng)匹配，其焊接接頭的力學(xué)性能見(jiàn)表1。采用均勻加載，外載荷與裂紋面垂直，大小為259MPa(即0.7Rp0.2)。圖1建立的模型裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布結(jié)果如圖2所示。

表1 DH36焊接接頭的力學(xué)性能

從鋼板整體受力情況來(lái)看，材料屬于線彈性變形，但在裂紋尖端出現(xiàn)塑性區(qū)，形態(tài)上出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象。在裂紋擴(kuò)展模擬過(guò)程中，對(duì)于表面裂紋尺寸的計(jì)算采用以下方式進(jìn)行。

圖2 裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

設(shè)Kφ=0為表面裂紋受載時(shí)在自由表面的應(yīng)力強(qiáng)度因子，Kφ=90為表面裂紋受載時(shí)在板體厚度方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子，二者的值由有限元分析得到。

將裂紋擴(kuò)展規(guī)律統(tǒng)一表示成f(ΔΚ,R,φ)，ΔK代表裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍；R代表孔的半徑；φ代表裂紋角度，利用Paris公式得出：

在第i個(gè)增量分析過(guò)程中，隨裂紋長(zhǎng)度2c和深度a的變化，可以計(jì)算出疲勞循環(huán)的周次ΔNi。

當(dāng)每步裂紋增量控制在合適時(shí)，對(duì)ΔNi的求解就可得到一個(gè)較高的精度。這里采用梯形法則：

在同一個(gè)疲勞過(guò)程中，(7)式以及(8)式左端項(xiàng)應(yīng)該相等。因此

根據(jù)以上步驟其計(jì)算結(jié)果如圖3所示。初始裂紋形狀對(duì)軸向表面裂紋疲勞擴(kuò)展過(guò)程中形狀演化有明顯的影響，c0/a0比值大的裂紋(細(xì)長(zhǎng)型裂紋)在擴(kuò)展開始階段均沿深度方向擴(kuò)展，而長(zhǎng)度方向上擴(kuò)展極慢；繼續(xù)擴(kuò)展到一定程度，當(dāng)c0/a0達(dá)到某一值后，長(zhǎng)度和深度方向上以幾乎相當(dāng)?shù)乃俣葦U(kuò)展；而對(duì)于c0/a0比值小的裂紋(短小型裂紋)，在整個(gè)疲勞擴(kuò)展過(guò)程中沿深度和長(zhǎng)度方向上的擴(kuò)展速度沒(méi)有很大的差別，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中近似保持與初始相似的形狀。

圖3 不同形狀裂紋沿板厚擴(kuò)展規(guī)律

2 DH36焊接接頭波浪載荷作用下壽命預(yù)測(cè)

謝文會(huì)等[8]計(jì)算了平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，考慮了中國(guó)南海百年一遇的海洋環(huán)境條件，利用“設(shè)計(jì)波法”確定了平臺(tái)在生存、作業(yè)和拖航狀態(tài)下危險(xiǎn)部位的最大應(yīng)力水平為293.8MPa，相當(dāng)于DH36材料焊接接頭屈服強(qiáng)度的0.7倍。由此進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)時(shí)，最大外加載荷為0.7Rp0.2。

預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)件的壽命時(shí)，裂紋擴(kuò)展不僅由裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子控制，而且應(yīng)該基于失效評(píng)估圖(FAD)技術(shù)，同時(shí)要考慮裂紋擴(kuò)展對(duì)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子和參考應(yīng)力的影響。

在API579規(guī)范[9]中，對(duì)于疲勞壽命預(yù)測(cè)有較為明確的推薦方法，本研究依據(jù)其第9部分，采取以下步驟進(jìn)行疲勞壽命的計(jì)算和預(yù)測(cè)：①確定加載歷程。采用0.7Rp0.2載荷循環(huán)；②假定裂紋尺寸。形狀為半橢圓型，裂紋沿板壁表面長(zhǎng)度為1mm，2mm，5mm，10mm，沿板壁厚度方向的深為1mm；③確定材料力學(xué)性能和韌度值；④確定Paris公式中的系數(shù)和指數(shù)；⑤對(duì)原始裂紋進(jìn)行失效評(píng)估。首先計(jì)算Kr和Lr,在FAD圖中標(biāo)記當(dāng)前裂紋評(píng)估狀態(tài)。⑥若裂紋深度不超過(guò)管壁厚度,則重復(fù)步驟⑤,否則終止計(jì)算。

根據(jù)以上方法對(duì)DH36焊接接頭各區(qū)裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，表中裂紋深度a0=1mm。

各類裂紋在0.7Rp0.2應(yīng)力循環(huán)下疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的FAD圖分別如圖4和圖5所示。

表2 0.7Rp0.2加載條件下不同形狀裂紋壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

圖4 焊縫區(qū)不同裂紋形狀的FAD圖

圖5 熱影響區(qū)不同裂紋形狀的FAD圖

王世圣等[10]估計(jì)在南海百年一遇的海況下，一個(gè)巨浪的作用時(shí)間是8.0～10.0s，一天24h計(jì)算，共有約8 640個(gè)作用巨浪。在0.7Rp0.2應(yīng)力作用下，DH36焊接接頭可以承受105 252次連續(xù)循環(huán)的巨浪沖擊，也就是說(shuō)該結(jié)構(gòu)件在該種海況下至少有12天的疲勞壽命。

3 結(jié) 論

(1)利用有限元分析不同表面裂紋形狀對(duì)裂紋擴(kuò)展規(guī)律的影響，c0/a0比值大的裂紋(細(xì)長(zhǎng)型裂紋)在擴(kuò)展開始階段均沿深度方向擴(kuò)展，而長(zhǎng)度方向上擴(kuò)展極慢；當(dāng)c0/a0達(dá)到某一值后，長(zhǎng)度和深度方向上以幾乎相當(dāng)?shù)乃俣葦U(kuò)展；而對(duì)于c0/a0比值小的裂紋(短小型裂紋)，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中近似保持與初始相似的形狀擴(kuò)展。

(2)對(duì)DH36焊接接頭不同形狀的裂紋在波浪載荷作用下的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，并利用FAD圖對(duì)其結(jié)果進(jìn)行安全評(píng)定，得出該結(jié)構(gòu)件至少可以承受12天連續(xù)巨浪的沖擊。

[1]黎之奇，柳春圖，崔民子，等.海洋平臺(tái)用鋼的焊接疲勞性能分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2000,22(04):264-266.

[2]楊新岐，王東坡，李小魏，等.海洋石油平臺(tái)焊接接頭大型CTOD試驗(yàn)[J].焊接學(xué)報(bào)，2002，23(04)：48-52.

[3]劉明亮，張玉鳳等.海底管道安全性評(píng)定方法的分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27(08)：75-78.

[4]鄧彩艷，張玉鳳，霍立興，等.基于SINTAP標(biāo)準(zhǔn)的海底外輸管線安全評(píng)定[J].焊接，2005(09)：17-20.

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[7] LIN X B,SMITH R A.Numerical analysis of fatigue growth ofexternalsurface cracks in pressurized cylinders[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，1997，71(04)：293-300.

[8]謝文會(huì),謝彬.深水半潛式鉆井平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度研究[J].中國(guó)海上油氣，2010，22(04)：265-269.

[9] API 579-1/ASME FFS-1-2007.Recommended practice of fitness-for-service[S].

[10]王世圣,謝彬.兩種典型深水半潛式鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性和波浪載荷的計(jì)算分析[J].中國(guó)海上油氣，2008，20(05)：349-352.

Fatigue Life Prediction of the Offshore Platform Steel Welded Joint under Wave Load

DU Liying,QIU Baowen,XUE Huan,LIU Dong,PENG Zhiying,YU Li
(Wuhan Iron and Steel(Group)CORP Research Institute,Wuhan 430080,China)

The influence of the initial crack shape on surface crack fatigue growth process of offshore platform welded joints was analyzed by finite element modeling,and the fatigue life of different shape initial crack of DH36 welded joint were predicted based on the FAD assessment methods of BS 7910.The results showed that the cracks of largec0/a0ratio fast extended in the depth direction,and slow in the longitudinal direction at the beginning of the extension;the cracks of small c0/a0ratio kept the approximate shape similar to the initial expansion in the expansion process.DH36 welded joint structure can withstand 105 252 cycles under the wave loads.

welding;DH36 welded joint;wave load;finite element analysis;fatigue life prediction

TG407

B

1001-3938(2015)01-0069-04

杜麗影(1982—)，女，在讀博士，工程師，從事材料疲勞斷裂性能的研究。

2014-09-14

羅 剛