杜麗影，邱保文，薛 歡，劉 冬，彭志英，余 立

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院，武漢 430080)

波浪載荷作用下海洋平臺用鋼焊接接頭的疲勞壽命預測

杜麗影，邱保文，薛 歡，劉 冬，彭志英，余 立

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院，武漢 430080)

采用有限元建模分析初始裂紋形狀對表面裂紋疲勞擴展過程中形狀演化的影響，并基于BS 7910中FAD圖的評定方法，預測了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。結果表明：c0/a0比值大的裂紋在擴展開始階段均沿深度方向擴展，而長度方向上擴展極慢；而對于c0/a0比值小的裂紋，在擴展過程中近似保持與初始相似的形狀擴展。在波浪載荷的作用下，DH36焊接接頭結構件能承受105 252個循環(huán)。

焊接；DH36焊接接頭;波浪載荷;有限元分析;疲勞壽命預測

海洋平臺在設計和建造中大量采用焊接連接，焊接過程中會產生殘余應力、微裂紋缺陷及組織性能不均勻等問題，同時受復雜的結構形式、惡劣的環(huán)境和應力集中的影響，在長時間的服役過程中易出現(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展的能力。考慮到海洋環(huán)境的波浪載荷條件，對焊接接頭結構件在波浪載荷下進行安全評定至關重要。

目前，國內很多學者分別基于SINTAP和BS7910標準對海洋平臺用鋼焊接接頭的安全性進行評定。劉明亮等[3]用極限載荷法和CTOD裂紋尖端張開位移試驗結果對API SPEC 5L X65管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋進行安全評定；鄧彩艷等[4]采用SINTAP標準對海底外輸管線X56焊接接頭埋藏裂紋進行了安全評定，并給出了在鋪設條件下容許埋藏裂紋尺寸。但關于焊接接頭微裂紋缺陷在波浪載荷下的使用壽命預測和安全評定的研究甚少。本研究針對DH36海洋平臺用鋼的焊接接頭，運用有限元分析焊接接頭在交變載荷作用下裂紋擴展規(guī)律，采用BS7910 2B級評定標準對DH36海洋平臺用鋼的焊接接頭在波浪載荷下的壽命進行預測和安全評定。

1 有限元建模與計算

在標準BS 7910《金屬結構中缺陷驗收評定方法導則》[5]中，主要采用FAD圖評定方法。本研究利用Abaqus軟件進行有限元建模分析。對表面裂紋的擴展都是基于Newman[6]和Lin[7]研究不同形狀因子的表面裂紋前沿擴展規(guī)律的結果，在疲勞裂紋貫穿以前，表面裂紋形狀一般用半橢圓來描述。對一塊1m×2m×50mm的厚板進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，裂紋表面長度c=50mm，裂紋深度a=25mm。

圖1 有限元裂紋模型

采用1/4對稱模型進行計算，焊縫材料的性能與DH36母材性能相同，即等強匹配，其焊接接頭的力學性能見表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力場分布結果如圖2所示。

表1 DH36焊接接頭的力學性能

從鋼板整體受力情況來看，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。在裂紋擴展模擬過程中，對于表面裂紋尺寸的計算采用以下方式進行。

圖2 裂紋尖端應力場分布云圖

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

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

在第i個增量分析過程中，隨裂紋長度2c和深度a的變化，可以計算出疲勞循環(huán)的周次ΔNi。

當每步裂紋增量控制在合適時，對ΔNi的求解就可得到一個較高的精度。這里采用梯形法則：

在同一個疲勞過程中，(7)式以及(8)式左端項應該相等。因此

根據(jù)以上步驟其計算結果如圖3所示。初始裂紋形狀對軸向表面裂紋疲勞擴展過程中形狀演化有明顯的影響，c0/a0比值大的裂紋(細長型裂紋)在擴展開始階段均沿深度方向擴展，而長度方向上擴展極慢；繼續(xù)擴展到一定程度，當c0/a0達到某一值后，長度和深度方向上以幾乎相當?shù)乃俣葦U展；而對于c0/a0比值小的裂紋(短小型裂紋)，在整個疲勞擴展過程中沿深度和長度方向上的擴展速度沒有很大的差別，裂紋在擴展過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展規(guī)律

2 DH36焊接接頭波浪載荷作用下壽命預測

謝文會等[8]計算了平臺典型節(jié)點的強度，考慮了中國南海百年一遇的海洋環(huán)境條件，利用“設計波法”確定了平臺在生存、作業(yè)和拖航狀態(tài)下危險部位的最大應力水平為293.8MPa，相當于DH36材料焊接接頭屈服強度的0.7倍。由此進行疲勞壽命預測時，最大外加載荷為0.7Rp0.2。

預測結構件的壽命時，裂紋擴展不僅由裂紋尖端應力強度因子控制，而且應該基于失效評估圖(FAD)技術，同時要考慮裂紋擴展對裂紋尖端應力強度因子和參考應力的影響。

在API579規(guī)范[9]中，對于疲勞壽命預測有較為明確的推薦方法，本研究依據(jù)其第9部分，采取以下步驟進行疲勞壽命的計算和預測：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，裂紋沿板壁表面長度為1mm，2mm，5mm，10mm，沿板壁厚度方向的深為1mm；③確定材料力學性能和韌度值；④確定Paris公式中的系數(shù)和指數(shù)；⑤對原始裂紋進行失效評估。首先計算Kr和Lr,在FAD圖中標記當前裂紋評估狀態(tài)。⑥若裂紋深度不超過管壁厚度,則重復步驟⑤,否則終止計算。

根據(jù)以上方法對DH36焊接接頭各區(qū)裂紋擴展壽命預測結果見表2，表中裂紋深度a0=1mm。

各類裂紋在0.7Rp0.2應力循環(huán)下疲勞裂紋擴展過程中的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測結果

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]估計在南海百年一遇的海況下，一個巨浪的作用時間是8.0～10.0s，一天24h計算，共有約8 640個作用巨浪。在0.7Rp0.2應力作用下，DH36焊接接頭可以承受105 252次連續(xù)循環(huán)的巨浪沖擊，也就是說該結構件在該種海況下至少有12天的疲勞壽命。

3 結 論

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

(2)對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行預測，并利用FAD圖對其結果進行安全評定，得出該結構件至少可以承受12天連續(xù)巨浪的沖擊。

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

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

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

[4]鄧彩艷，張玉鳳，霍立興，等.基于SINTAP標準的海底外輸管線安全評定[J].焊接，2005(09)：17-20.

[5] BS 7910-1999,Guide on method for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S].

[6] NEWMANJ C,RAJU I S,An empirical stress-intensity factor equation for the surface crack[J].Engineering Fracture Mechanics,1981,15(01)：185-192.

[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,謝彬.深水半潛式鉆井平臺典型節(jié)點強度研究[J].中國海上油氣，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運動特性和波浪載荷的計算分析[J].中國海上油氣，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