董樹賢

(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司,天津 300452)

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導(dǎo)管架節(jié)點低周疲勞評估方法

董樹賢

(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司,天津 300452)

針對導(dǎo)管架平臺在海洋環(huán)境中的結(jié)構(gòu)低周疲勞問題，結(jié)合分析模型和設(shè)計規(guī)范，采用Neuber假設(shè)進行塑性修正，通過應(yīng)變范圍得到偽熱點應(yīng)力范圍，并確定熱點應(yīng)力與偽熱點應(yīng)力之間的關(guān)系，采用偽熱點應(yīng)力取代熱點應(yīng)力換算出一種新的S-N曲線作為低周疲勞的設(shè)計曲線，以偽熱點應(yīng)力作為計算量來預(yù)測節(jié)點的低周疲勞壽命。

導(dǎo)管架；應(yīng)力幅；低周疲勞

結(jié)構(gòu)的疲勞行為可分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞循環(huán)載荷對應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變主要處于彈性范圍，結(jié)構(gòu)具有較長的失效循環(huán)次數(shù)；而低周疲勞由反復(fù)塑性應(yīng)變造成，結(jié)構(gòu)的失效循環(huán)次數(shù)較短。導(dǎo)管架平臺在海洋環(huán)境中時常會受到大風(fēng)暴或者其他意外的大載荷作用，會導(dǎo)致節(jié)點處的應(yīng)力幅值超過材料本身的屈服強度，當(dāng)超過一定次數(shù)的時候，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生低周疲勞。海洋平臺的低周疲勞破壞是威脅平臺安全運行的潛在因素，一旦導(dǎo)管架發(fā)生斷裂事故，不僅可能導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，更會引起財產(chǎn)損失甚至人員傷亡等嚴(yán)重后果[1]。為此，結(jié)合NORSOK standards N006[2]和挪威船級社相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，將熱點應(yīng)力通過Neuber假設(shè)進行塑性修正，轉(zhuǎn)化為偽熱點應(yīng)力，然后再利用基于偽熱點應(yīng)力的低周疲勞壽命設(shè)計曲線計算疲勞壽命。

1 低周疲勞壽命評估方法

低周疲勞是指循環(huán)次數(shù)小于104次，以高應(yīng)力-應(yīng)變，低循環(huán)壽命為特點的疲勞。在對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點的低周疲勞壽命研究中,較為常用的分析方法有:S-N曲線分析方法和局部應(yīng)變分析方法[3-4]。

1.1 S-N曲線分析方法

在疲勞載荷的作用下，導(dǎo)管架節(jié)點會出現(xiàn)不同類型的應(yīng)力集中，在大載荷的作用下可能發(fā)生塑性變形，從而影響結(jié)構(gòu)整體的延性。節(jié)點的應(yīng)力幅值將超過材料的屈服點，此時需要對彈性應(yīng)力幅進行修正，從而得到實際的應(yīng)力幅值。S-N曲線分析方法是基于高周疲勞的分析思想引入到低周疲勞的研究，通過一定的假設(shè)將S-N曲線中的應(yīng)力幅(Δσ)由應(yīng)變幅(Δε)來表達(dá)，并對相關(guān)的參數(shù)進行相應(yīng)變換，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點的低周疲勞分析。規(guī)范NORSOK-N006中對于結(jié)構(gòu)節(jié)點的低周疲勞分析就采用的此種方法，具體可以簡述為以下流程。

首先結(jié)合Neuber′s假設(shè)和循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示, Neuber′s方程可寫為

(1)

式中：σn——名義應(yīng)力；

SCF——通過線形分析得到的節(jié)點位置的應(yīng)力集中系數(shù)；

E——彈性模量；

n,K′——材料系數(shù)，可通過實驗得到；

σactualHSS——實際熱點應(yīng)力。

圖1 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與Neuber雙曲線

得到實際熱點應(yīng)力σactualHSS后，通過Ramberg-Osgood方程可推導(dǎo)節(jié)點處實際應(yīng)變εnl。

(2)

從而可以得到偽熱點應(yīng)力。

(3)

通過得到的偽熱點應(yīng)力，結(jié)合DNV-RP-C203規(guī)范給定的不同連接形式的節(jié)點S-N曲線可以計算低周疲勞壽命。

(4)

式中：a,m——材料常數(shù)，可對照DNV-RP-C203[5]規(guī)范的疲勞細(xì)節(jié)類型得到。

1.2 局部應(yīng)力分析方法

應(yīng)用于結(jié)構(gòu)低周疲勞分析的局部應(yīng)力分析方法是通過材料的疲勞特性來確定裂紋形成壽命。通過考慮材料的塑性特性，采用非線性有限元的方法計算熱點應(yīng)變幅，結(jié)合目前有關(guān)塑性應(yīng)變幅和壽命關(guān)系式應(yīng)用最廣泛的是Coffin-Manson公式，即

式中：b,c——材料疲勞強度和延性指數(shù)；

N——循環(huán)次數(shù)；

DNV-PR-C208[6]給出了如何計算熱點應(yīng)變幅Δεhs的計算方法和焊接節(jié)點的相關(guān)材料參考系數(shù)，見表1。

表1 焊接節(jié)點低周疲勞計算次數(shù)

圖2 焊接管節(jié)點應(yīng)變循環(huán)曲線(b=-0.1,c=-0.5)

2 算例

2.1 節(jié)點幾何及材料參數(shù)

分別采用以上2種方法對一個T形管節(jié)點在面外循環(huán)載荷作用下的低周疲勞進行分析。該T形管節(jié)點的幾何形狀和相關(guān)尺寸見圖3。

圖3 節(jié)點幾何形狀和尺寸

假定其材料循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變行為符合Ramberg-Osgood方程，材料系數(shù)見表2。

(6)

圖4 材料應(yīng)力-應(yīng)變

2.2 有限元分析模擬

采用ABAQUS軟件對該節(jié)點進行非線性有限元分析，網(wǎng)格采用8節(jié)點殼單元(S8R)，熱點應(yīng)力附近網(wǎng)格尺寸按照DNV-RP-C203[5]對管節(jié)點網(wǎng)格尺寸的推薦做法給定，見圖6、7。邊界條件及施加載荷見圖8、9。

圖5 熱點位置示意

圖6 模型整體網(wǎng)格示意

圖7 模型節(jié)點局部細(xì)化網(wǎng)格示意

圖8 模型邊界條件示意

圖9 模型施加載荷示意

2.3 S-N曲線分析方法評估結(jié)果

根據(jù)DNV-RP-C203[5]和有限元計算結(jié)果，推導(dǎo)出等效熱點應(yīng)力為420.16 MPa, 根據(jù)材料特性和NORSOK的相關(guān)方程，推導(dǎo)出偽熱點應(yīng)力為1 019.9 MPa(圖10)。結(jié)合前面已經(jīng)推導(dǎo)的低周疲勞計算方程，得出低周疲勞壽命設(shè)計曲線(圖11)，從而計算循環(huán)次數(shù)N=1 375。

圖10 等效熱點應(yīng)力和偽熱點應(yīng)力關(guān)系

圖11 低周疲勞S-N曲線

2.4 局部應(yīng)力分析方法結(jié)果

1)首先建立總應(yīng)變幅，用第3載荷步計算得到的值減去第2載荷步計算所得的值。

2)提取選擇的2個外推點(a和b)的主應(yīng)變范圍。

3)按照線性外插出熱點應(yīng)變幅Δεhs。

熱點應(yīng)力幅Δεhs計算如下，結(jié)果見表3。

(7)

按照Coffin-Manson公式可以反推出低周疲勞循環(huán)次數(shù)為N=1 300。

表3 熱點應(yīng)變幅

3 結(jié)論

對NORSOK-N006和挪威船級社的規(guī)范中的關(guān)于結(jié)構(gòu)低周疲勞的分析方法進行簡要的匯總和說明，并通過簡單的管節(jié)點計算，發(fā)現(xiàn)以上規(guī)范給出的2種方法計算得到的低周循環(huán)次數(shù)基本相同。未來的工程設(shè)計或者結(jié)構(gòu)評估中，可以參考以上辦法對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進行簡要的低周疲勞評估，已降低平臺低疲勞破壞的風(fēng)險。

圖12 載荷步2的最大主應(yīng)變

圖13 載荷步3的最大主應(yīng)變

圖14 Coffin-Manson公式允許的最大低周循環(huán)次數(shù)

[1] 李鋒，孟廣偉，周立明.隨機載荷作用下結(jié)構(gòu)低周疲勞可靠性研究[J].機械設(shè)計,2010(8):79-82.

[2] NORSOK STANDARDN-006Assessment of structural integrity for existingoffshore load-bearing structures[S],2009.

[3] 田雨，紀(jì)卓尚.船舶結(jié)構(gòu)低周疲勞分析方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2011(2):153-158.

[4] 姚艷萍,陳瑞峰,林釧明.導(dǎo)管架平臺管節(jié)點的疲勞分析與壽命估計[J].中國造船，2003(S):303-308.

[5] DNV-RP-C203 Fatigue Design of Offshore Steel Structures[S].2014.

[6] DNV-RP-C208 Determination of Structural Capacity by Non-linear FE analysis Methods[S].2013.

Assessment Method of Low Cycle Fatigue for the Joint of Jacket

DONG Shu-xian

(CNOOC Qinghuangdao 32-6 Oil Filed Operations Company, Tianjin 300452, China)

Aiming at the problem of low cycle fatigue for the jacket platforms in the marine environment, based on the analysis model and design standards, a plasticity correction was performed according to the Neuber rules. The pseudo hot spot stress range was obtained by the strain range. The relationship between the hot spot stress and pseudo hot spot stress was determined. A new S-N curve was deduced as low cycle fatigue design curves using the pseudo hot spot stress instead of the hot spot stress as the value of calculation to predict the low cycle fatigue life.

jacket; stress amplitude; low cycle fatigue

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.009

2016-07-10

董樹賢(1974—)，男，學(xué)士，工程師

U661.4;P752

A

1671-7953(2016)05-0035-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油設(shè)施平臺結(jié)構(gòu)檢測及安全評估

E-mail:dongshx@cnooc.com.cn