深水半潛式平臺結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞破壞機(jī)理試驗(yàn)研究

崔 磊，毛江鴻，葛曉丹，潘崇根，金偉良

(1. 浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100; 2. 浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058; 3. 浙江五洲工程項(xiàng)目管理有限公司，浙江 杭州 310053)

深水半潛式平臺結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞破壞機(jī)理試驗(yàn)研究

崔 磊1,2，毛江鴻1，葛曉丹3，潘崇根1，金偉良1,2

(1. 浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100; 2. 浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058; 3. 浙江五洲工程項(xiàng)目管理有限公司，浙江 杭州 310053)

深水半潛式平臺結(jié)構(gòu)在深海環(huán)境荷載及作業(yè)動荷載的作用下容易產(chǎn)生疲勞損傷累積，加速疲勞裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。對深水半潛式平臺橫撐部位的兩類關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，分析了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞現(xiàn)象、疲勞破壞過程以及疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用規(guī)范給出的裂紋擴(kuò)展模型和參數(shù)估算關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命低于試驗(yàn)所得的疲勞壽命，說明應(yīng)用規(guī)范給出的裂紋擴(kuò)展模型和參數(shù)估算節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命比較安全；根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果建立的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的S-N曲線參數(shù)與DNV規(guī)范給出的較為吻合；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)焊趾處的ε-N關(guān)系曲線可以反映出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞破壞的三個階段破壞規(guī)律。研究結(jié)果為有效地預(yù)測平臺結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷程度，及時進(jìn)行維修加固延長結(jié)構(gòu)的使用壽命提供參考。

深水半潛式平臺；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；疲勞損傷機(jī)理；參數(shù)估算；疲勞壽命；裂紋擴(kuò)展；橫撐

Abstract: Deepwater semi-submersible platform structures under the loads of deep-sea environment and operation will generate fatigue damage accumulation, which accelerates the expansion of fatigue crack and causes the fatigue failure of the platform structures. The fatigue tests of two-type key joints in the brace of platform were investigated, and the analyses of fatigue failure phenomenon, fatigue failure procedures and fatigue crack growth law were carried out. The test results show that fatigue lives estimated by using the crack propagation model and parameters given in the specification are lower than the fatigue lives obtained in the test, which illustrates that it is safe to estimate the fatigue lives of key joints by using the crack propagation model and parameters given in the specification; the parameters of S-N curves of key joints established by the test results agree well with the parameters of S-N curves given in the DNV specification; the ε-N relation curves of weld toe can reflect the three-stage fatigue damage rule of the key joints. It will provide a reference for the effective prediction of fatigue damage degree, maintenance and reinforcement of the structures in time, the service life extension of the platform’s crucial structures.

Keywords: deepwater semi-submersible platform; key joint; fatigue damage mechanism; parameter estimation; fatigue life; crack growth; brace

深水半潛式平臺(Semi)是深海油氣資源開發(fā)的巨型鋼結(jié)構(gòu)，支撐著數(shù)萬噸的平臺和鉆井設(shè)備，在深海服役時還要承受風(fēng)、波浪、海流等環(huán)境荷載和作業(yè)動荷載的作用。由于橫撐是把半潛式平臺的立柱、浮箱和上部甲板三者連接成一個空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，常處于較高應(yīng)力狀態(tài)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的一些焊接匯交節(jié)點(diǎn)(即疲勞關(guān)鍵節(jié)點(diǎn))在較低的應(yīng)力循環(huán)作用下就會發(fā)生疲勞破壞。為了保證深水半潛式平臺服役期內(nèi)的安全可靠運(yùn)行，深入研究該類平臺關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞規(guī)律是非常有必要的。

圖1 Semi平臺浮體結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Schematic diagram of floating structure of Semi

在海洋工程結(jié)構(gòu)中，疲勞開裂從焊趾貫穿基材的失效模式是一種常見的失效模式。目前已有很多相關(guān)的研究文獻(xiàn)，主要集中在對T型和十字節(jié)點(diǎn)的研究。Dover[1]對變幅載荷作用下T型焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了應(yīng)力分析和裂紋擴(kuò)展測試試驗(yàn)，提出了海洋結(jié)構(gòu)焊接接頭疲勞壽命估算的疲勞斷裂評估方法。Cheng[2]運(yùn)用斷裂力學(xué)方法和等效應(yīng)力范圍計(jì)算了疲勞裂紋擴(kuò)展率，提出了預(yù)測波浪荷載作用下疲勞裂紋擴(kuò)展率方法。Sarkani等[3]對十字型高強(qiáng)度焊接鋼試件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，分析了加載強(qiáng)度、非正態(tài)、頻率帶寬對疲勞累積損傷率的影響。Huneau等[4]對在真空、大氣和有陰極保護(hù)的3.5%氯化鈉溶液中高強(qiáng)度鋼SE702(A517) 進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)研究，得出在陰極保護(hù)下水相環(huán)境中SE702的疲勞性能低于氣相環(huán)境。Zhang等[5]對兩類焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同中值應(yīng)力荷載譜對Miner準(zhǔn)則準(zhǔn)確性的影響以及常幅疲勞極限應(yīng)力對疲勞性能的影響。謝文會等[6]針對深水半潛式平臺橫撐內(nèi)疲勞校核節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用有限元對此類疲勞校核點(diǎn)進(jìn)行了簡化疲勞分析。Wang, Cui和Huang等[7-9]研究了海洋結(jié)構(gòu)物疲勞壽命預(yù)報(bào)統(tǒng)一方法，提出了裂紋擴(kuò)展雙參數(shù)計(jì)算模型和改進(jìn)的疲勞裂紋擴(kuò)展率模型，所涉及到的參數(shù)需要試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。另外還有類似的研究，如Ramalho等[10]、Huo等[11]、Chen等[12]、Chiew等[13]。但通過試驗(yàn)進(jìn)行深水平臺結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞損傷機(jī)理研究的文獻(xiàn)較少。

根據(jù)深水半潛式平臺結(jié)構(gòu)以及橫撐疲勞校核截面處的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，如圖1、圖2和圖3所示，通過疲勞試驗(yàn)研究了橫撐疲勞校核截面處兩類關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞現(xiàn)象、疲勞破壞過程以及疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律，對比分析了試驗(yàn)結(jié)果和按照規(guī)范推薦的模型參數(shù)的估算結(jié)果，給出了兩類關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的S-N曲線，探討了其疲勞破壞機(jī)理。

圖2 橫撐疲勞校核位置所在截面Fig. 2 Section of key fatigue joint in brace

圖3 橫撐強(qiáng)框架截面示意Fig. 3 Section of brace frame

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料及試件

1.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)試件采用高強(qiáng)度海洋平臺用鋼板E36，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示，材料的彈性模量和泊松比滿足指標(biāo)要求。鋼板厚度分別為：加勁板30 mm(試驗(yàn)試件中稱為基材或母板)；肋板20 mm；肘板12 mm。

表1 試驗(yàn)鋼材化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of the steel used in the test

表2 鋼材力學(xué)性能Tab. 2 Mechanical properties of the steel

試驗(yàn)采用的焊接材料與所選的試驗(yàn)鋼材較為匹配，其化學(xué)成分以及焊接后熔敷金屬力學(xué)性能如表3和表4所示。

表3 焊接材料的化學(xué)成分Tab. 3 Chemical composition of welding material

表4 熔敷金屬力學(xué)性能Tab. 4 Mechanical properties of deposited metal

1.1.2 試驗(yàn)試件

根據(jù)實(shí)際工程中平臺結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)疲勞從焊根貫穿焊接下截面的失效模式，如圖4所示，以及橫撐強(qiáng)框架截面處肘板支撐細(xì)部構(gòu)造，試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了梯形和十字梯形兩類試件，其幾何構(gòu)造和尺寸與疲勞關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的基本相同，如圖5所示，每種類型的試件各3個共計(jì)6個，具體如下：

1)梯形試件(類型1)：母板尺寸為500 mm×80 mm×30 mm，肘板尺寸為(100 mm+180 mm)×100 mm ×12 mm；焊趾高10 mm，焊踵圓拱半徑20 mm，試件設(shè)計(jì)尺寸如圖6 (a)所示。

2)十字梯形試件(類型2)：是在梯形基礎(chǔ)上加了肋板，母板尺寸為500 mm×80 mm×30 mm，肋板尺寸為100 mm×100 mm×20 mm；肘板尺寸為(100 mm+180 mm)×100 mm×12 mm；焊趾高10 mm，焊踵圓拱半徑20 mm。試件設(shè)計(jì)尺寸如圖6(b)所示。

圖4 疲勞失效模式Fig. 4 Failure mode of fatigue

圖5 疲勞試驗(yàn)試件Fig. 5 Specimen for fatigue test

圖6 試件尺寸Fig. 6 Specimen size

試件焊接采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊接前將肘板、肋板和母板焊接部位表面的銹蝕、油污、氧化皮以及其他對焊接有害的物質(zhì)用電動打磨機(jī)清理干凈，以免影響焊接質(zhì)量。在試件焊趾處的母板及肘板上布設(shè)了應(yīng)變片，因焊接缺陷的不確定性，焊趾處焊接地方都有可能出現(xiàn)疲勞裂紋，為了能夠測到焊趾處疲勞全過程的應(yīng)變變化，在焊趾處對稱位置均布設(shè)了應(yīng)變片，以防破壞或失效。

1.2 試驗(yàn)裝置及加載

試驗(yàn)采用Instron 8805液壓伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載，采用imc CRONOScompact 400-08動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)設(shè)定疲勞加載系統(tǒng)的荷載位移傳感器和imc動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀的采集頻率為100 Hz，可以采集到測點(diǎn)每個循環(huán)的應(yīng)變變化。

1.2.1 試驗(yàn)加載參數(shù)設(shè)定

圖7 疲勞荷載示意Fig. 7 Schematic diagram of fatigue loading

在室溫、無腐蝕環(huán)境中，試驗(yàn)研究表明荷載循環(huán)頻率對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響是微不足道的，頻率在0.1～100 Hz量級變化時對da/dN的影響幾乎可以不考慮，應(yīng)力循環(huán)波形(正弦波、三角波、矩形波等)的影響更是次要的[14-15]。試驗(yàn)試件正式開始加載之前，先進(jìn)行了預(yù)加載，試驗(yàn)機(jī)自動調(diào)整，給出了參考的幅頻曲線，加載頻率為1～15 Hz。因此，本次試驗(yàn)加載頻率設(shè)定為4 Hz，加載波形為正弦波。根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果[16]和兩類試件彎曲極限試驗(yàn)結(jié)果，本次試驗(yàn)選擇加載的應(yīng)力水平為0.8σy，加載幅值為50 kN，試驗(yàn)疲勞荷載示意圖如圖7所示。

圖8 試驗(yàn)加載的初始階段Fig. 8 Initial stage of loading in the test

圖9 疲勞試驗(yàn)的原位圖Fig. 9 Picture of fatigue test

1.2.2 試驗(yàn)加載

1)預(yù)加載

為了在試件的焊趾及焊接區(qū)域獲得幅值穩(wěn)定的純彎曲應(yīng)力，試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲加載方法。試件正式加載前，先進(jìn)行預(yù)加載。預(yù)加載的目的是為了檢測試件各部分是否接觸良好，試驗(yàn)儀器是否正常工作，試驗(yàn)試件是否對中等。預(yù)加載時荷載值需嚴(yán)格控制，必須在試件彎曲極限荷載的50%以內(nèi)，確保試件變形在彈性范圍內(nèi)，檢查整個試驗(yàn)工作正常后卸載至零。

2)正式加載

正式加載前，首先編寫加載程序，加載程序分為兩個階段，即靜力加載階段和循環(huán)加載階段，如圖8所示，靜力加載至平均應(yīng)力后自動開始循環(huán)加載。循環(huán)加載初始階段應(yīng)力幅值不會一下達(dá)到設(shè)定的應(yīng)力幅值，一般需要經(jīng)過100個循環(huán)左右達(dá)到設(shè)定的應(yīng)力幅值。疲勞試驗(yàn)加載原位圖如圖9所示，采用應(yīng)變片溫度補(bǔ)償方法控制溫度對測量結(jié)果的影響。

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

1.3.1 焊材的疲勞現(xiàn)象描述

試驗(yàn)時用放大鏡觀測疲勞裂紋開展情況，每5 000循環(huán)觀測一次。一般約經(jīng)歷2萬次循環(huán)荷載作用以后焊趾處焊角開始出現(xiàn)疲勞裂紋，疲勞裂紋開始時擴(kuò)展較快，貫穿焊角后沿著焊接方向開裂，如圖10所示。梯形試件焊趾處焊材的疲勞裂紋擴(kuò)展至30 mm左右后、十字梯形試件焊趾處焊材的疲勞裂紋擴(kuò)展至15 mm左右后，疲勞裂紋擴(kuò)展變得非常緩慢。產(chǎn)生的原因可能是：焊趾開裂一定程度后，疲勞逐漸從焊趾轉(zhuǎn)移到試件母板，疲勞荷載主要由母板承受。約經(jīng)歷5～7萬次循環(huán)荷載以后焊材的疲勞裂紋又開始緩慢擴(kuò)展。疲勞破壞時，梯形試件焊材的疲勞裂紋尺寸在50～70 mm之間，十字梯形試件焊材的疲勞裂紋尺寸在40～60 mm之間。

1.3.2 母板的疲勞現(xiàn)象描述

1)疲勞裂紋萌生階段：梯形試件約經(jīng)歷32萬次循環(huán)荷載作用以后母板開始出現(xiàn)宏觀疲勞裂紋，疲勞裂紋出現(xiàn)以后垂直于焊接方向沿母板板厚和板寬緩慢擴(kuò)展。十字梯形試件約經(jīng)歷22.5萬次循環(huán)荷載作用以后母板開始出現(xiàn)疲勞裂紋，與梯形試件相同，十字梯形試件疲勞裂紋出現(xiàn)以后垂直于焊接方向沿母板板厚和板寬緩慢擴(kuò)展，這一階段對試件疲勞壽命的貢獻(xiàn)較大。

圖10 焊趾處焊材的疲勞開裂Fig.10 Fatigue cracking of welding material in weld toe

2)疲勞裂紋擴(kuò)展階段：疲勞裂紋出現(xiàn)以后，開始時擴(kuò)展比較緩慢，經(jīng)歷4～7萬次循環(huán)荷載后，裂紋擴(kuò)展加快。梯形試件疲勞裂紋到焊趾距離在25～45 mm之間，如圖11所示，約經(jīng)歷16萬次循環(huán)荷載作用以后，疲勞裂紋擴(kuò)展至母板板寬邊緣。十字梯形試件疲勞裂紋到焊趾距離在5～15 mm之間，如圖12所示，約經(jīng)歷12萬次循環(huán)荷載作用以后，疲勞裂紋擴(kuò)展至母板板寬邊緣，這一階段對試件疲勞壽命也有很大的貢獻(xiàn)。

圖11 梯形試件母板的疲勞開裂Fig. 11 Fatigue cracking of base material in type 1 specimen

圖12 十字梯形試件母板的疲勞開裂Fig. 12 Fatigue cracking of base material in type 2 specimen

3)疲勞斷裂階段：裂紋沿母板厚度方向擴(kuò)展速度加快，裂紋尺寸迅速增大，裂紋擴(kuò)展至板厚一半后，試件很快產(chǎn)生失穩(wěn)，發(fā)生斷裂。斷裂后裂紋沿母板板厚方向擴(kuò)展的尺寸為板厚的50%～75%之間。圖13和圖14給出了梯形、十字梯形試件的疲勞破壞原位圖和疲勞斷口，這一階段疲勞循環(huán)次數(shù)在0.5～2.0萬次之間，其對裂紋擴(kuò)展壽命的貢獻(xiàn)很小。十字梯形試件疲勞破壞的位置及失效模式與實(shí)際工程較為接近。

從圖13(b)和圖14(b)中可以看出：疲勞破壞斷口主要呈現(xiàn)兩個區(qū)域，即暗淡光滑區(qū)I和光亮晶粒狀區(qū)II。暗淡光滑區(qū)I是疲勞裂紋發(fā)生和擴(kuò)展區(qū)，光亮晶粒狀區(qū)II是快速斷裂區(qū)，擴(kuò)展區(qū)與斷裂區(qū)的界限非常明顯，可以清楚地反映出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處疲勞破壞的三個階段破壞規(guī)律。

圖13 梯形試件的疲勞破壞原位圖Fig. 13 Picture of fatigue failure of type 1 specimen

圖14 十字梯形試件的疲勞破壞原位圖Fig. 14 Picture of fatigue failure of type 2 specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 疲勞壽命分析

2.1.1 試件的疲勞壽命

試驗(yàn)試件疲勞破壞后，分別測出焊材表面裂紋尺寸和母板表面板厚方向裂紋尺寸，試驗(yàn)機(jī)上的傳感器和imc采集儀自動采集疲勞循環(huán)次數(shù)，表5給出了疲勞試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果上可以看出，梯形試件的疲勞壽命比十字梯形試件的疲勞壽命高。產(chǎn)生的原因可能主要是：肋板改變了母板受彎時的應(yīng)力分布，使焊接部位應(yīng)力集中更為突出，此外肋板焊接時產(chǎn)生殘余應(yīng)力以及幾何尺寸影響了母板的材料性能，導(dǎo)致十字梯形試件與梯形試件疲勞破壞位置發(fā)生變化，疲勞壽命也有所縮短。

表5 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab. 5 Results of fatigue test

2.1.2 試件疲勞壽命估算與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析

表面初始裂紋達(dá)到臨界裂紋尺寸時發(fā)生疲勞破壞，規(guī)范ABS[17]給出了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測公式為：

式中：N為結(jié)構(gòu)的疲勞循環(huán)次數(shù)；a0為初始裂紋尺寸；ac為臨界裂紋尺寸；C和m為材料的裂紋擴(kuò)展參數(shù)；Y(a)為幾何修正系數(shù)；a為裂紋深度；Δσ為應(yīng)力幅值。

假定Y(a)為常數(shù)，將式(1)積分后可以進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算。根據(jù)規(guī)范BS7910[18]所推薦的在空氣中應(yīng)力比R≥0.5焊接節(jié)點(diǎn)的B階段(Ⅱ區(qū)域)的材料裂紋擴(kuò)展參數(shù)C=1.29×10-12、m=2.88以及焊接節(jié)點(diǎn)受彎曲作用時的幾何修正系數(shù)Y(a)，梯形試件幾何修正系數(shù)取Y(a)=1.3。考慮肋板焊接殘余應(yīng)力和幾何尺寸等因素的影響，十字梯形試件幾何修正系數(shù)取Y(a)=1.5。初始裂紋尺寸根據(jù)規(guī)范BS7608[19]和規(guī)范ABS[20]推薦的焊接節(jié)點(diǎn)焊趾的裂紋缺陷尺寸，取a0=0.5 mm，以測得的母板疲勞破壞時表面板厚方向的裂紋尺寸作為臨界裂紋尺寸，由理論計(jì)算出應(yīng)力幅值，從而估算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。

圖15 試驗(yàn)值與估算值對比Fig. 15 Comparison of the test value and estimated value

將試驗(yàn)值與估算值進(jìn)行對比如圖15所示，從圖中可以看出疲勞壽命的估算值低于試驗(yàn)值。產(chǎn)生的原因可能是：1)由于疲勞裂紋擴(kuò)展理論沒有將裂紋萌生階段的疲勞壽命考慮在內(nèi)；2)估算所選用規(guī)范給出的裂紋擴(kuò)展參數(shù)是B階段的裂紋擴(kuò)展參數(shù)，裂紋擴(kuò)展速率大，計(jì)算所得疲勞壽命就短；3)在整個疲勞破壞過程中裂紋擴(kuò)展不同的階段擴(kuò)展速率并不相同，用一種裂紋擴(kuò)展參數(shù)估算整個疲勞破壞過程的疲勞壽命，估算結(jié)果會有一定的誤差。

2.1.3 試件S-N曲線參數(shù)推算

假定結(jié)構(gòu)為線性累積疲勞損傷，采用S-N曲線法計(jì)算疲勞壽命，規(guī)范DNV[21]給出了S-N曲線公式為：

式中：N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；A、m為S-N曲線參數(shù)；S為應(yīng)力范圍。

設(shè)S-N曲線的斜率DNV規(guī)范已有的類似結(jié)果m=3，用定斜率擬合法建立試驗(yàn)試件S-N曲線參數(shù)。考慮試驗(yàn)加載的平均應(yīng)力水平的影響(見圖7)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到試件疲勞破壞處的應(yīng)力范圍S，由式(2)可以計(jì)算出lgA，計(jì)算結(jié)果如表6所示，給出了兩類試件的S-N曲線參數(shù)均值。

表6 試件S-N曲線參數(shù)均值Tab. 6 Means of S-N curve parameters

由表6可以得到梯形和十字梯形試件的S-N曲線的表達(dá)式為：

式中：N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；S為應(yīng)力范圍。

從式(3)和式(4)中可以看出，梯形試件的lgA均值與DNV規(guī)范《海上鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析推薦作法》給出的大氣環(huán)境S-N曲線中C2曲線的lgA=12.301接近，十字梯形試件的lgA均值在C2曲線的lgA和D曲線的lgA=12.164之間。

2.2 焊趾處母板的ε-N關(guān)系分析

圖16給出了兩類試件焊趾處母板的ε-N關(guān)系曲線，主要分析焊趾疲勞裂紋處應(yīng)變與疲勞壽命的變化規(guī)律。對于梯形試件焊趾處的應(yīng)變，從圖16(a)、16(b)、16(c)曲線中可以看出：由于循環(huán)加載初始階段應(yīng)力幅值不會一下達(dá)到設(shè)定的應(yīng)力幅值，所以在曲線的起始階段應(yīng)變有一個逐漸達(dá)到穩(wěn)定應(yīng)變幅值的過程；隨著循環(huán)加載達(dá)到設(shè)定的應(yīng)力幅值后，應(yīng)變增長非常緩慢，應(yīng)變幅值比較穩(wěn)定，即為疲勞裂紋萌生階段。當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到32萬次左右，應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)變幅值減小，此時試件母板出現(xiàn)宏觀疲勞裂紋，試件的疲勞進(jìn)入疲勞裂紋擴(kuò)展階段。當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到48萬次左右，應(yīng)變迅速增大，應(yīng)變幅值急劇減小，隨后試件發(fā)生疲勞破壞，即為疲勞斷裂階段。從ε-N關(guān)系曲線上可以看出疲勞破壞的三個階段。

對于十字梯形試件母板焊趾ε-N關(guān)系曲線，從圖16(d)、16(e)、16(f)中可以看出，與梯形試件類似，十字梯形試件母板焊趾應(yīng)變隨著疲勞循環(huán)次數(shù)增加而不斷增大。在22萬次循環(huán)次數(shù)之前，應(yīng)變增長非常緩慢，應(yīng)變幅值比較穩(wěn)定，這一階段為疲勞裂紋萌生階段；在22萬次循環(huán)次數(shù)之后，應(yīng)變迅速增長，應(yīng)變幅值逐漸減小，這一階段為疲勞裂紋擴(kuò)展階段；疲勞循環(huán)次數(shù)約在35萬次時，應(yīng)變急速增大，表明試件失穩(wěn)，發(fā)生疲勞破壞，這一階段為疲勞斷裂階段。從ε-N關(guān)系曲線上也可以看出疲勞破壞的三個階段。

圖16 焊趾處的ε-N關(guān)系曲線Fig. 16 ε-N relation curve of weld toe

2.3 焊趾處肘板的應(yīng)變與疲勞壽命關(guān)系分析

圖17給出了兩類試件肘板焊趾的ε-N關(guān)系曲線，“-”表示壓力。從圖中曲線可以看出，肘板焊趾主要承受壓應(yīng)力，由于受焊趾處應(yīng)力集中的影響，應(yīng)變在初始階段較大，隨著循環(huán)次數(shù)增加先減小后略微增大，約在12萬次以后，應(yīng)變變化逐漸穩(wěn)定。由于焊接材料中難免會存在一些缺陷，焊材疲勞裂紋擴(kuò)展時遇到這些缺陷可能就會迅速開裂，從而引起應(yīng)變的大小變化，ε-N曲線上會有上下波動。受焊趾處應(yīng)力集中的影響，應(yīng)變幅值在初始階段較大，隨著焊趾焊接材料的逐漸開裂，焊趾受力逐漸減小，應(yīng)變幅值也逐漸減小，焊趾焊材裂紋擴(kuò)展一定尺寸后，肘板受力基本穩(wěn)定，應(yīng)變幅值基本保持不變，直至試件失穩(wěn)發(fā)生疲勞破壞時才略微有所減小。

圖17 焊趾處肘板ε-N關(guān)系曲線Fig. 17 ε-N relation curve of bracket at weld toe

2.4 試件的疲勞破壞機(jī)理分析

從試件疲勞試驗(yàn)現(xiàn)象可以得出其疲勞裂紋擴(kuò)展的軌跡，如圖18所示。從圖中可以看出，可將試件的疲勞破壞分為4個階段：

1)焊接材料裂紋形成與擴(kuò)展階段

由于焊角焊接處應(yīng)力集中明顯，晶粒組織結(jié)構(gòu)大，易存在缺陷，在彎曲循環(huán)荷載作用下，焊趾處焊接材料最先出現(xiàn)裂紋，裂紋出現(xiàn)后沿著焊材擴(kuò)展，先快后慢，擴(kuò)展約10 mm后裂紋擴(kuò)展方向轉(zhuǎn)向母板，待母板疲勞一定程度后焊材裂紋繼續(xù)開展，如圖18所示的焊趾處的焊材。受試件幾何形狀、焊接工藝等因素的影響，裂紋不是始于焊趾處的焊接熔合區(qū)，而是始于焊趾處的焊角。

2)母板微觀裂紋形成與擴(kuò)展階段

母板與焊材的焊接處即焊接熔合區(qū)，一般很難均勻熔合，由于其晶粒組織結(jié)構(gòu)粗大，可能存在殘余應(yīng)力，在彎曲循環(huán)荷載作用下容易形成微裂紋，微裂紋沿滑移面擴(kuò)展，形成與正應(yīng)力軸成45°的剪應(yīng)力作用面，裂紋沿著這一方向擴(kuò)展，此階段裂紋的擴(kuò)展非常緩慢，即圖18所示的第1階段的裂紋擴(kuò)展。

3)宏觀裂紋擴(kuò)展階段

裂紋擴(kuò)展方向與拉應(yīng)力垂直，為單一裂紋擴(kuò)展，擴(kuò)展速率緩慢穩(wěn)定，即圖18所示的第2階段的裂紋擴(kuò)展，裂紋尺寸擴(kuò)展至臨界尺寸之前，這一階段會出現(xiàn)許多疲勞條帶，電鏡掃描可以看到疲勞條帶上的疲勞條紋。

4)斷裂階段

當(dāng)裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸時，疲勞斷口會出現(xiàn)顯著的撕裂裂紋，這一階段會出現(xiàn)裂紋剪切唇，如圖18所示，試件很快產(chǎn)生失穩(wěn)而發(fā)生斷裂。

圖18 試件疲勞裂紋擴(kuò)展的軌跡Fig. 18 Track of the specimen’s fatigue crack growth

3 結(jié) 語

1) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)試件的疲勞破壞經(jīng)歷了焊接材料裂紋形成與擴(kuò)展階段、母板微觀裂紋形成與擴(kuò)展階段、宏觀裂紋擴(kuò)展階段以及疲勞斷裂四個階段。焊趾處焊材首先出現(xiàn)疲勞裂紋，裂紋沿焊接方向擴(kuò)展，達(dá)到一定尺寸后變得非常緩慢，接著又穩(wěn)定緩慢擴(kuò)展。隨后焊趾處母板發(fā)生疲勞，出現(xiàn)宏觀疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展速度非常緩慢，直至達(dá)到母板邊緣后裂紋沿板厚方向迅速擴(kuò)展，試件很快失穩(wěn)，發(fā)生斷裂，疲勞破壞前沒有發(fā)生明顯的塑性變形。

2) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)試件幾何形狀對疲勞壽命有顯著影響，梯形試件的疲勞壽命高于十字梯形試件的疲勞壽命，焊趾處的ε-N曲線可以反映出試件的疲勞破壞的三個階段。應(yīng)用規(guī)范給出的裂紋擴(kuò)展模型和參數(shù)估算試件節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命低于試驗(yàn)所得的疲勞壽命，說明用規(guī)范給出的模型和參數(shù)用于估算節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命比較安全；根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果建立的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的S-N曲線參數(shù)與DNV規(guī)范給出的S-N曲線參數(shù)較為吻合。

3) 研究結(jié)果可為有效地預(yù)測平臺結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷程度，及時進(jìn)行維修加固，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，避免平臺發(fā)生疲勞事故，確保平臺安全可靠運(yùn)行，提供參考。但在實(shí)際工程中平臺結(jié)構(gòu)疲勞關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)要受到彎曲和拉伸等多種交變荷載作用，論文僅研究了一個應(yīng)力水平彎曲作用下的兩類關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞機(jī)理，下一步還需開展多組交變載荷應(yīng)力水平作用下平臺結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞試驗(yàn)研究。

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Experimental study on the fatigue failure mechanism of key joints in deepwater semi-submersible platform structures

CUI Lei1, 2, MAO Jianghong1, GE Xiaodan3, PAN Conggen1, JIN Weiliang1, 2

(1. Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China; 2. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 3. Zhejiang Wuzhou Construction Project Management Co., Ltd., Hangzhou 310053, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.06.001

1005-9865(2016)06-0001-10

2015-10-19

國家自然科學(xué)基金(51509221，51541904)；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAL02B03)；浙江省自然科學(xué)基金(LQ14E090002)和寧波市自然科學(xué)基金資助(2014A610170)

崔 磊(1982-)，男，安徽宿州人，博士，講師，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)的疲勞分析。E-mail:lcui@zju.edu.cn

毛江鴻。E-mail:jhmao@nit.zju.edu.cn