裂紋損傷下新型復(fù)合立管的剩余強(qiáng)度研究

王慶豐,徐興振，徐 剛,王樹齊

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)

復(fù)合立管作為海洋油氣資源開發(fā)必不可少的設(shè)備之一,越來越受到人們的關(guān)注,很多學(xué)者針對(duì)損傷圓管構(gòu)件強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)行為的影響進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究[1-2],但是針對(duì)裂紋損傷下的立管剩余強(qiáng)度研究很少．文獻(xiàn)[3]中建立了含有凹坑損傷管子的三維有限元模型,在考慮邊界條件的影響下,對(duì)損傷管子做出相應(yīng)的假設(shè),得到不同邊界條件構(gòu)件載荷-位移響應(yīng)的解析式．文獻(xiàn)[4]中將邊界條件和初始載荷對(duì)管的影響考慮在內(nèi),應(yīng)用四節(jié)點(diǎn)的殼單元,對(duì)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下管的響應(yīng)做了分析．并借鑒了Wierzbicki模型簡化的方法,推導(dǎo)出求解只受側(cè)向載荷管位移響應(yīng)的解析式,并將解釋式計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了解析式的正確性．文獻(xiàn)[5]中將不同極限海況考慮在內(nèi),對(duì)深水頂張式立管非線性運(yùn)動(dòng)及浪致疲勞損傷進(jìn)行了分析,并結(jié)合S-N曲線方法,研究了波浪對(duì)立管疲勞性能的影響．文獻(xiàn)[6]中通過FEM對(duì)受到內(nèi)壓和波浪力作用下的立管疲勞特性進(jìn)行分析,研究了裂紋尺寸(長度和深度)大小對(duì)疲勞壽命的影響,得出了立管疲勞壽命的解析式，并推導(dǎo)出含裂紋海洋立管的失效概率、可靠性指標(biāo)的計(jì)算公式．

剩余強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在一個(gè)或者多個(gè)構(gòu)件因受損或者失效后仍能繼續(xù)承受載荷的能力．疲勞裂紋是海洋結(jié)構(gòu)物中最為常見的一種時(shí)變損傷,它是在疲勞載荷長期作用下產(chǎn)生并擴(kuò)展的．立管在海平面附近的法蘭處有較高的應(yīng)力集中,且此區(qū)域的應(yīng)力循環(huán)幅值比較大,很容易出現(xiàn)疲勞裂紋．在交變載荷作用下,疲勞裂紋會(huì)發(fā)生擴(kuò)展直至構(gòu)件失效．文中以新型復(fù)合立管為研究對(duì)象,針對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行剩余極限強(qiáng)度研究,并考慮初始裂紋尺寸(裂紋表面長度、裂紋縱向深度尺寸)、腐蝕壁厚共同作用,研究了不同服役年限下立管剩余強(qiáng)度變化規(guī)律．

1 關(guān)鍵構(gòu)件模型的建立

新型復(fù)合立管采用高強(qiáng)度鋼帶作為外層包裹材料,強(qiáng)度級(jí)別較低的可焊鋼管作為基體,基本參數(shù)如表1．主要結(jié)構(gòu)形式包括:保護(hù)層、保溫層、法蘭、鋼帶、內(nèi)管等,如圖1,有限元模型如圖2．

表1 復(fù)合立管材料基本參數(shù)Table 1 Layers of material properties of composite riser

圖1 復(fù)合立管主剖視圖Fig.1 Main sectional view of composite rise

圖2 新型復(fù)合立管單節(jié)有限元模型Fig.2 Finite element model of new composite single riser

對(duì)于裂紋損傷的新型復(fù)合立管結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的研究,通常假設(shè)在應(yīng)力集中區(qū)域已經(jīng)存在一條裂紋來研究裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的影響[7],裂紋定義在出現(xiàn)應(yīng)力最大法蘭的開孔處,如圖3．文中對(duì)新型復(fù)合立管關(guān)鍵構(gòu)件的極限強(qiáng)度研究是通過有限元增量法獲得轉(zhuǎn)角與曲率的關(guān)系來確定的．

圖3 含裂紋的有限元模型Fig.3 Finite element model under crack damage

對(duì)深水立管結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度分析[8],主要考慮受彎情況．載荷的施加采用MPC法,施加方式是在結(jié)構(gòu)需要施加載荷的兩個(gè)斷面中心位置處建立一個(gè)節(jié)點(diǎn),然后使用MPC單元約束斷面節(jié)點(diǎn),使得端面每個(gè)節(jié)點(diǎn)與建立的單元在行為上一致,最后將載荷直接施加到建立的節(jié)點(diǎn)上．文中根據(jù)MPC法原理,對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的兩端面進(jìn)行約束處理,并在節(jié)點(diǎn)上施加一個(gè)ω=0.01rad/s的轉(zhuǎn)角,如圖4．

圖4 彎矩作用下關(guān)鍵構(gòu)件有限元模型Fig.4 FE model of key component under the action of bending moment

2 裂紋損傷下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度分析

2.1 無損條件下關(guān)鍵構(gòu)件極限強(qiáng)度分析

立管結(jié)構(gòu)極限承載力是評(píng)估剩余強(qiáng)度的基礎(chǔ),必須考慮關(guān)鍵構(gòu)件無損傷時(shí)在彎曲載荷作用下的極限承載力,計(jì)算結(jié)果如圖5．關(guān)鍵構(gòu)件受彎極限承載力為434 593 N·m,并得出極限狀態(tài)下關(guān)鍵構(gòu)件彎曲—曲率關(guān)系曲線,如圖6．在轉(zhuǎn)角θ小于0.01 rad時(shí),彎矩基本隨轉(zhuǎn)角的增大線性增加;轉(zhuǎn)角在0.018 rad左右時(shí),彎矩達(dá)到最大值;在轉(zhuǎn)角大于0.025 rad時(shí),彎矩基本保持穩(wěn)定．

圖5 極限狀態(tài)下關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of key component under ultimate condition

圖6 極限狀態(tài)下關(guān)鍵構(gòu)件彎曲—曲率關(guān)系Fig.6 Relation between moment and curvature of key component under ultimate condition

2.2 關(guān)鍵構(gòu)件損傷下的剩余極限強(qiáng)度分析

立管結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi),疲勞損傷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的極限承載力減小．計(jì)算關(guān)鍵構(gòu)件在受到彎曲載荷作用和疲勞損傷影響下不同服役年限的剩余極限承載力,計(jì)算結(jié)果如圖7．從圖7可以看出:在初期，結(jié)構(gòu)的剩余極限承載力F下降比較緩慢;在中后期，剩余極限承載力下降速度逐漸加快;在服役后期,裂紋穿透法蘭內(nèi)壁導(dǎo)致立管功能失效,此時(shí)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度為330 860 N·m,與初始狀態(tài)得到的結(jié)果相比極限強(qiáng)度下降了24.04%．

圖7 關(guān)鍵構(gòu)件彎曲—曲率關(guān)系Fig.7 Relation between moment and curvature of key component

通過對(duì)深水新型復(fù)合立管關(guān)鍵構(gòu)件全壽命剩余強(qiáng)度分析,得到在不同服役年限疲勞損傷下的剩余極限承載能力,如表2,變化規(guī)律如圖8.

表2 裂紋損傷下關(guān)鍵構(gòu)件剩余極限強(qiáng)度Table 2 Residual ultimate strength of key component in the crack damage

圖8 關(guān)鍵構(gòu)建在裂紋損傷下極限強(qiáng)度隨服役年限的變化Fig.8 Variation of ultimate strength of key component with service life under crack damage

2.3 初始裂紋尺寸對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件剩余極限強(qiáng)度的影響

初始裂紋尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命具有重要的影響．缺陷可能出現(xiàn)在立管的任意部位,這與很多因素有關(guān)．微觀裂紋的研究對(duì)現(xiàn)實(shí)工程來說意義不大,通常把宏觀裂紋的出現(xiàn),作為疲勞裂紋的起始標(biāo)志．對(duì)于表面裂紋來說,起始裂紋深度c尺寸達(dá)到0.15 mm、長度方向尺寸a達(dá)到0.5 mm就被認(rèn)為裂紋的起始;對(duì)于貫穿裂紋當(dāng)裂紋長度尺寸為0.2 mm時(shí),被看作為疲勞起始[9]．分別建立初始裂紋深度為0.15 mm,初始裂紋長度尺寸為0.5，1.0，1.5，2.0 mm的有限元模型,得到時(shí)變裂紋損傷下關(guān)鍵構(gòu)件的剩余極限強(qiáng)度,繪制剩余極限強(qiáng)度隨服役年限變化的曲線(圖9)．從圖中基本可以看出,隨著服役年限的進(jìn)一步增加,初始裂紋長度尺寸越大,新型復(fù)合立管剩余極限強(qiáng)度下降的越快．

圖9 不同初始裂紋長度隨服役年限變化 對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件剩余強(qiáng)度的影響Fig.9 Trend of residual strength of key component with service under different initial crack

分別建立初始裂紋長度為2.0 mm,深度尺寸為0.15，0.5，1.0，1.5 mm的有限元模型,得到時(shí)變裂紋損傷下關(guān)鍵構(gòu)件的剩余極限強(qiáng)度,繪制剩余極限強(qiáng)度隨服役年限變化的曲線(圖10)．

圖10 不同初始裂紋深度隨服役年限變化 對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件剩余強(qiáng)度的影響Fig.10 Trend of residual strength of key component with service under different initial crack

從圖中可以得到類似的結(jié)論,即隨著服役年限的進(jìn)一步增加,初始裂紋深度尺寸越大,新型復(fù)合立管剩余極限強(qiáng)度下降的越快．

2.4 壁厚腐蝕對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件剩余極限強(qiáng)度的影響

分別建立含時(shí)變裂紋損傷壁厚腐蝕量為0，5%，10%，15%的關(guān)鍵構(gòu)件有限元模型,得到構(gòu)件的剩余極限強(qiáng)度,通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理,得到不同服役年限下關(guān)鍵構(gòu)件剩余極限強(qiáng)度變化規(guī)律(圖11),從圖中可以看出含裂紋損傷的構(gòu)件隨著服役年限和腐蝕壁厚量的增加,關(guān)鍵構(gòu)件剩余極限強(qiáng)度下降比較顯著．

圖11 不同壁厚腐蝕下關(guān)鍵構(gòu)件剩余極限 強(qiáng)度隨服役年限變化趨勢(shì)Fig.11 Trend of residual strength of key component with service under corrosion表3 腐蝕作用下服役40 a的關(guān)鍵構(gòu)件剩余極限強(qiáng)度的變化Table 3 Change of residual strength of key component with 40 years service under corrosion

腐蝕百分比/%服役40 a剩余極限強(qiáng)度/kN下降百分比/% 0374 51514.00 5324 26225.54 10286 28134.26 15240 61944.74

3 結(jié)論

(1) 疲勞裂紋可使新型復(fù)合立管的剩余極限強(qiáng)度減?。诹⒐芊鄢跗?立管的剩余極限強(qiáng)度減小速度比較緩慢;在中后期剩余極限強(qiáng)度減小速度逐步增加;立管在破壞時(shí),剩余極限強(qiáng)度降低了14.04%．

(2) 關(guān)鍵構(gòu)件的極限承載力取決于裂紋的長度,裂紋尺寸越大,極限承載力下降越快．初始裂紋尺寸的增加可使結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度下降速度加快;初始裂紋長度尺寸的變化對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件極限強(qiáng)度的影響要大于初始裂紋深度的變化對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的極限強(qiáng)度影響．

(3) 隨著腐蝕壁厚的增加,立管的剩余極限強(qiáng)度減小比較明顯．關(guān)鍵構(gòu)件壁厚腐蝕量為15%的極限強(qiáng)度比無損傷時(shí)的極限強(qiáng)度下降了44.74%．因此,有必要對(duì)新型復(fù)合立管法蘭結(jié)構(gòu)采取防腐措施．

(4) 通過對(duì)腐蝕、裂紋損傷狀態(tài)下關(guān)鍵構(gòu)件極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算得出,聯(lián)合損傷狀態(tài)對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件極限承載力影響最大．