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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

我國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行海上油氣田的開發(fā)開采，經(jīng)過30多年的發(fā)展，部分海洋石油平臺到達(dá)設(shè)計(jì)年限，但是所處油田的油氣資源依然可觀，所以很多平臺面臨延期服役的需求。對于正在服役期的海洋平臺，根據(jù)海上固定平臺安全規(guī)則[1-2]的要求，應(yīng)對平臺進(jìn)行年檢和定期檢測。需延期服役的平臺長期在波流的作用下，關(guān)鍵受力節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)疲勞裂紋，所以須更為頻繁地進(jìn)行檢測。對于中國南?；驏|海，水下疲勞裂紋檢測往往需要借助飽和潛水，實(shí)施作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高，因此需要科學(xué)合理的方法優(yōu)化平臺的檢測周期，確定平臺安全服役年限。

英國標(biāo)準(zhǔn)BS 7910是金屬結(jié)構(gòu)裂紋評估的國家標(biāo)準(zhǔn)，也是工程臨界評估領(lǐng)域的通用規(guī)范。該規(guī)范以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，對于存在焊接缺陷的結(jié)構(gòu)，通過應(yīng)力分析、斷裂力學(xué)分析等科學(xué)分析，在保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生已知破壞機(jī)制如脆性破壞、疲勞失效事故的基礎(chǔ)上，保證整體結(jié)構(gòu)的完整性。對于疲勞裂紋的擴(kuò)展，規(guī)范針對不同的服役條件給出不同的裂紋擴(kuò)展速度，該原則為金屬焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全使用提供了重要依據(jù)。本文基于BS 7910: 2013標(biāo)準(zhǔn)，對中國南海某平臺進(jìn)行裂紋評估。

1 疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法

BS 7910: 2013規(guī)范相比于2005版規(guī)范有較大變化，2013版規(guī)范將評定等級劃分為3個(gè)等級：選擇一、選擇二、選擇三，原2005版簡易評定等級一被刪除。在評估中選擇何種方法取決于可獲得的材料屬性和評定的保守程度。相比來說，選擇一進(jìn)行評定需要的資料較少，但是評定也相對保守。隨著評定等級的提高，需要的數(shù)據(jù)支持越來越多，評定的保守程度也相對較低。

圖1 典型FAD圖

評定應(yīng)用失效評估圖(Failure Assessment Diagram，F(xiàn)AD)的方法進(jìn)行，通過比較評定點(diǎn)與評定曲線的位置關(guān)系確定缺陷是否可接受。圖1是典型的FAD圖。評定曲線則是由評定曲線方程和截?cái)嗑€構(gòu)成的。如果評定點(diǎn)位于坐標(biāo)軸和評定曲線所圍成的區(qū)域內(nèi)，則缺陷是可接受的；如果評定點(diǎn)位于曲線外，則缺陷是不可接受的。

斷裂力學(xué)方法將實(shí)際缺陷理想化為尖銳的裂紋，其裂紋擴(kuò)展速度da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的關(guān)系一般用log(da/dN)與log(ΔK)之間的曲線關(guān)系表征，曲線可以用簡單的線性關(guān)系(比如根據(jù)Paris理論)或者采用更加精確的表述方法表征。在ΔK值較小時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度下降很快，即在低于裂紋擴(kuò)展門檻值時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度可以忽略。在ΔK值足夠高時(shí)，即當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子Kmax值達(dá)到結(jié)構(gòu)失效的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kc時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度迅速增加[3]。

Paris理論公式為

da/dN=A(ΔK)m

(1)

式(1)中：A和m是與材料和外加載荷相關(guān)的的常數(shù)；當(dāng)ΔK<ΔK0時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度da/dN假定為0。

應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK是結(jié)構(gòu)幾何形狀、應(yīng)力范圍、裂紋瞬時(shí)尺寸的方程，計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：Y為應(yīng)力集中修正系數(shù)；a為裂紋尺寸；Δσ為外加應(yīng)力幅值。

對式(1)進(jìn)行積分得到裂紋壽命為

(3)

式(3)中：N為疲勞壽命；af為缺陷最終尺寸；ai為缺陷初始尺寸。

對于裂紋擴(kuò)展速度和應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值，針對金屬結(jié)構(gòu)不同的服役條件如空氣條件、海水中自由腐蝕狀態(tài)、在海水中有陰極保護(hù)的情況，BS 7910:2013標(biāo)準(zhǔn)都給出了不同的推薦值[3]。

2 評定流程及關(guān)鍵參數(shù)選擇

中國南海某海洋石油平臺于2005年投產(chǎn)，導(dǎo)管架設(shè)計(jì)壽命為10年，平臺已于2015年達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。作業(yè)方在2015年對平臺進(jìn)行了整體延壽，服役年限延期至2030年，但是延壽評估建議對低疲勞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定期檢測以保證平臺結(jié)構(gòu)的完整性。本文在前期研究成果[4]的基礎(chǔ)上，對于篩選出的低疲勞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工程臨界評估，評定低疲勞節(jié)點(diǎn)的極限裂紋尺寸和安全服役時(shí)間。評定以BS 7910規(guī)范原則為基礎(chǔ)，采用CrackWISE軟件對該疲勞裂紋壽命進(jìn)行計(jì)算。評定流程為：(1)確定載荷和應(yīng)力類型；(2)確定材料拉伸性能和斷裂韌性；(3)確定缺陷的尺寸和形狀；(4)確定FAD圖并選定分析類型；(5)計(jì)算載荷比Lr和斷裂比Kr；(6)進(jìn)行裂紋斷裂評估和疲勞裂紋擴(kuò)展評估。

圖2 節(jié)點(diǎn)位置示例

由于未獲得材料詳細(xì)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，因此依據(jù)選擇一進(jìn)行裂紋的評定。低疲勞節(jié)點(diǎn)信息見表1。節(jié)點(diǎn)位于導(dǎo)管架底部主桿與撐桿相交節(jié)點(diǎn)處，節(jié)點(diǎn)形式如圖2所示。

表1 低疲勞節(jié)點(diǎn)信息 mm

2.1 一次應(yīng)力與二次應(yīng)力

在斷裂力學(xué)領(lǐng)域，節(jié)點(diǎn)受力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。一次應(yīng)力是能夠引起材料塑性失效的力(如果其數(shù)值足夠大)。這是相對于二次應(yīng)力而言的，二次應(yīng)力不會引起塑性失效。一次應(yīng)力包括所有由于內(nèi)壓或外加載荷引起的應(yīng)力，又分為薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。二次應(yīng)力一般包括溫度應(yīng)力和殘余應(yīng)力。二次應(yīng)力為自平衡應(yīng)力，即它的數(shù)值可以通過局部發(fā)生屈曲變形、進(jìn)行熱處理等方法來消除或變小。二次應(yīng)力的一個(gè)顯著特征就是它本身不會引起材料的塑性失效。

本文分析的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)承受的一次應(yīng)力選取在百年波流極限狀態(tài)下桿件的受力情況作為分析工況。材料焊后的殘余應(yīng)力作為節(jié)點(diǎn)的二次應(yīng)力，由于材料焊后未進(jìn)行熱處理，按照規(guī)范推薦原則將材料的屈服強(qiáng)度取作節(jié)點(diǎn)的二次應(yīng)力。另外，由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，在焊接位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，在分析中也考慮了應(yīng)力集中的影響。

2.2 循環(huán)載荷

本文分析的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)除承受靜載荷外，還承受來自波流的循環(huán)載荷。分析中循環(huán)載荷數(shù)據(jù)來源于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)分析軟件SACS，軟件的輸出結(jié)果給出了在給定時(shí)間內(nèi)某一應(yīng)力幅值下對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，可以用CrackWISE軟件分析。表2給出了部分循環(huán)載荷。

2.3 材料斷裂韌性

材料的斷裂韌性對于疲勞裂紋的擴(kuò)展影響很大，因此規(guī)范要求盡可能獲得準(zhǔn)確的斷裂韌性數(shù)據(jù)。但是在無法直接獲得材料斷裂韌性數(shù)值的情況下，BS 7910也給出了利用夏比沖擊功轉(zhuǎn)化為斷裂韌性的方法[3]。

表2 循環(huán)載荷

此平臺于2005年投產(chǎn)，在原始建造資料中沒有得到缺陷焊縫位置的斷裂韌性數(shù)據(jù)，只得到了材料的夏比沖擊功。規(guī)范中利用夏比沖擊功轉(zhuǎn)換為斷裂韌性(Kmat)的方法如下：

斷裂韌性下限值為

(4)

式中：Kmat為評估所得的斷裂韌性；B為評估材料的厚度；CV為在服役溫度下材料的夏比沖擊功下限值。

斷裂韌性上限值為

Kmat=0.54CV+55

(5)

在斷裂韌性的選擇上，選取焊縫金屬和母材韌性的較小值作為評定位置的斷裂韌性，見表3。

表3 材料的斷裂韌性

2.4 缺陷尺寸

由于此平臺在前期檢測中未發(fā)現(xiàn)裂紋，因此在本評估中須對初始裂紋進(jìn)行假定。一般來說，節(jié)點(diǎn)焊縫熔合線位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，這個(gè)位置受力復(fù)雜，并且容易出現(xiàn)焊接缺陷，是裂紋初始擴(kuò)展最危險(xiǎn)的情況。因此，本次評估首先假定初始裂紋位于熔合線處，裂紋類型為表面裂紋，初始裂紋尺寸的假定基于所采用的檢測方法。

3 評定結(jié)果

對于在役的海洋石油平臺或者其他鋼結(jié)構(gòu)，如果存在裂紋，須解決2個(gè)問題：(1)已存在的裂紋在當(dāng)前靜載荷條件下是否可接受，能夠接受的極限裂紋尺寸是多少；(2)在靜載荷和疲勞載荷的同時(shí)作用下，裂紋經(jīng)過多長時(shí)間就達(dá)到壽命極限。

3.1 裂紋斷裂評估

裂紋的斷裂評估要解決的問題就是確定缺陷在百年極端波流條件下是否可接受，如果可以接受，能夠接受的裂紋極限尺寸是多少。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。對于當(dāng)前的裂紋尺寸，評定點(diǎn)位于評定曲線內(nèi)，因此當(dāng)前缺陷是可以接受的。對該位置的極限裂紋尺寸進(jìn)行計(jì)算，裂紋極限尺寸結(jié)果如圖4所示，可以看出：裂紋可接受極限尺寸的高度與長度呈反比關(guān)系，這個(gè)結(jié)果可以作為今后水下檢測判定裂紋是否可接受的依據(jù)。

圖3 裂紋是否可接受評估 圖4 裂紋極限尺寸

圖5 裂紋擴(kuò)展FAD圖

3.2 疲勞裂紋擴(kuò)展分析

分析得知：在當(dāng)前靜載荷條件下，裂紋是可以接受的。對于平臺低疲勞節(jié)點(diǎn)來說，在波流的循環(huán)載荷作用下，裂紋將逐漸擴(kuò)展。對于整個(gè)平臺來說，其壽命在很大程度上取決于這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，因此疲勞裂紋擴(kuò)展分析對于確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的檢測周期和平臺的整體延壽有很大的幫助。

對于裂紋擴(kuò)展來說，得到的評定點(diǎn)將不再是一個(gè)點(diǎn)，而是由若干點(diǎn)組成的軌跡，軌跡的最后一個(gè)點(diǎn)即為缺陷失效時(shí)的評定點(diǎn)，其他點(diǎn)對應(yīng)的裂紋尺寸都是可以接受的，如圖5所示。分析得知：裂紋在波流載荷作用下的疲勞壽命為16.64年。

對于平臺上某些低疲勞節(jié)點(diǎn)，往往需要比較高的檢測頻率。傳統(tǒng)分析結(jié)合基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測規(guī)劃可以在一定程度上優(yōu)化平臺的檢測周期，利用工程臨界評估方法(Engineering Critical Assessment, ECA)方法可以進(jìn)一步對檢測規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化。表4對比了按照傳統(tǒng)分析方法和ECA分析方法對于指定節(jié)點(diǎn)的檢測規(guī)劃，可以看出：按照傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果，對于指定的疲勞節(jié)點(diǎn)在2017年-2022年5年間每年都須對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測，但是采用ECA極限狀態(tài)評估方法結(jié)合平臺5年特檢要求，只須在2017年和2022年檢測就可以滿足要求，較好地優(yōu)化了平臺關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的檢測周期。

表4 檢測規(guī)劃對比

4 結(jié) 論

(1) 依據(jù)BS 7910: 2013標(biāo)準(zhǔn)，對于已出現(xiàn)的裂紋采用選擇一的方法，確定其在已知載荷條件下是否可接受，以及可以接受的極限裂紋尺寸，其結(jié)果可以作為以后檢測判定缺陷是否可接受的參考。

(2) 按照規(guī)范推薦的裂紋擴(kuò)展速度以及裂紋擴(kuò)展門檻值，計(jì)算在循壞載荷下裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸的時(shí)間，為優(yōu)化檢測計(jì)劃和導(dǎo)管架整體延壽提供依據(jù)。

(3) 利用規(guī)范原則，通過夏比沖擊功對材料的斷裂韌性進(jìn)行估算，為缺少裂紋尖端張開位移(CTOD值)的老結(jié)構(gòu)設(shè)施進(jìn)行斷裂韌性評估提供一種途徑。

[1] 國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會. 海上固定平臺安全規(guī)則[S]. 2000.

[2] 國家發(fā)展和改革委員會. 海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法: SY/T 10030 [S]. 2004.

[3] BRITISH STANDARD. Guide to Method for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures : BS 7910: 2013 [S]. 2013.

[4] 盧華, 周雷, 王巍巍. RBI技術(shù)在導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)延壽中的應(yīng)用[J]. 中國海洋平臺, 2016(03): 60-65.