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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測與評估作為平臺結(jié)構(gòu)完整性管理中的重要環(huán)節(jié)，在老齡海洋平臺延壽服役中將起到關(guān)鍵的作用，同時在具體項目實施過程中也會面臨各種實際問題。比如，老齡平臺按照常規(guī)基于S-N曲線的疲勞設(shè)計分析方法進(jìn)行評估，部分節(jié)點疲勞壽命在當(dāng)年不滿足疲勞計算壽命要求，但水下檢測卻沒有發(fā)現(xiàn)任何疲勞裂紋，為保證平臺的安全，提出了今后1年1檢的ACFM水下無損檢測周期。然而，水下檢測尤其是超過50 m的海域，需要借助工程船支持并進(jìn)行水下機(jī)器人(ROV)或飽和潛水，作業(yè)實施風(fēng)險大，費用高，很難作為常規(guī)檢測方法來實施。因此，采用傳統(tǒng)的疲勞分析方法其分析結(jié)果往往與實際情況有較大的差別，過于保守的評估導(dǎo)致檢測頻率很高從而引起費用的增加。

國外的海洋平臺開發(fā)應(yīng)用較早，平臺延壽使用較為普遍，疲勞極限狀態(tài)分析已經(jīng)發(fā)展比較成熟。國內(nèi)的海洋平臺結(jié)構(gòu)延壽使用中關(guān)于疲勞極限狀態(tài)分析比較缺乏工程實踐經(jīng)驗，但在其他工程(如鐵路、設(shè)備)已有應(yīng)用[1-3]。疲勞極限狀態(tài)分析在挪威石油標(biāo)準(zhǔn)NORSOK N—006[4]有相關(guān)要求，但具體實施和運用需要研究。

對于在役平臺的評估不同于平臺設(shè)計，為保證更契合實際情況，需要考慮更多的特殊因素[5]，例如對平臺實際荷載情況進(jìn)行調(diào)查并修正；通過有限元分析方法求取與節(jié)點構(gòu)造更為接近的應(yīng)力集中系數(shù)，以獲取更為真實的熱點應(yīng)力；采用實際結(jié)構(gòu)的S-N曲線以獲取更為可靠的疲勞能力；考慮節(jié)點柔性等。這些疲勞極限狀態(tài)分析方法在平臺結(jié)構(gòu)延壽及完整性管理中與管理成本直接相關(guān)。

為此，需要針對管節(jié)點疲勞熱點應(yīng)力有限元分析方法、節(jié)點柔性方法及斷裂力學(xué)評估方法的實現(xiàn)效果進(jìn)行比較。

1 管節(jié)點疲勞熱應(yīng)力有限元分析

管節(jié)點疲勞壽命與節(jié)點熱應(yīng)力有關(guān)，而節(jié)點熱應(yīng)力與節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)有關(guān)，在設(shè)計中管節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)一般采用Kuang和Efthymiou等經(jīng)驗公式[6]。這些公式來源于大量的有限元分析和試驗結(jié)果，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中廣泛應(yīng)用，但在平臺結(jié)構(gòu)完整性管理過程中，特別是當(dāng)需要挖掘某些關(guān)鍵節(jié)點疲勞極限能力時，可以通過具體有限元模擬實現(xiàn)，另外隨著技術(shù)的發(fā)展有限元模擬技術(shù)也在進(jìn)步，相關(guān)的規(guī)范也推薦了一些具體的計算方法，通過對具體節(jié)點的有限元模擬可以得到更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，修正疲勞評估參數(shù)[7]。

1.1 應(yīng)力集中系數(shù)有限元分析方法

管節(jié)點熱點應(yīng)力計算如下。

Fhot=SCFax·fax±SCFipb·fipb

Fhot=SCFax·fax±SCFopb·fopb

(1)

式中：Fhot為熱點應(yīng)力；fax為軸向力引起的名義應(yīng)力；fipb為平面內(nèi)彎矩引起的彎曲名義應(yīng)力；fopb為平面外彎矩引起的彎曲名義應(yīng)力；SCFax為軸向力對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)；SCFipb為平面內(nèi)彎矩引起的管節(jié)點鞍點處對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)；SCFopb為平面外彎矩引起的管節(jié)點冠點處對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)。

管節(jié)點荷載形式見圖1。

圖1 管節(jié)荷載形式

應(yīng)力集中系數(shù)由下式求取。

SCFax=Fhot/fax

SCFipb=Fhot/fipb

SCFopb=Fhot/fopb

(2)

由軸向力、面內(nèi)彎矩和面外彎矩對應(yīng)的名義應(yīng)力可根據(jù)軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力公式求得，軸向力、面內(nèi)彎矩和面外彎矩對應(yīng)的熱點應(yīng)力可通過有限元分析方法求得，在有限元分析模型中，分別施加與求取名義應(yīng)力一樣值的軸向力、面內(nèi)彎矩和面外彎矩分別獲得相應(yīng)的熱點應(yīng)力。

1.2 有限元計算熱點應(yīng)力

對重點關(guān)注的管節(jié)點進(jìn)行有限元分析得到熱點應(yīng)力是常見處理方法，在有限元數(shù)值模擬中選取熱點應(yīng)力方法尤為重要，國內(nèi)外相關(guān)研究也較多，但一般學(xué)術(shù)界熱點應(yīng)力選取焊縫處極值應(yīng)力[8-10]，工程界一般采用外推法獲取熱點應(yīng)力，推薦采用NV-RP-C203第4節(jié)所介紹的熱點應(yīng)力選取方法。

計算中不考慮焊縫模擬，熱點應(yīng)力通過圖2中a和b的應(yīng)力值進(jìn)行線性差值計算得到。

1)對于撐桿，選取沿?fù)螚U表面垂直于焊趾沿線進(jìn)行外推獲取，其中a和b分別為

圖2 管節(jié)荷載形式

(3)

2)對于弦桿冠點，選取沿弦桿表面垂直于冠點位置焊趾沿線進(jìn)行外推獲取，a和b分別為

(4)

3)對于弦桿鞍點，選取沿弦桿表面垂直于鞍點位置焊趾沿線進(jìn)行外推獲取，a和b分別為

(5)

1.3 ANSYS參數(shù)化實現(xiàn)

為方便工程計算應(yīng)用，基于版本為17.0的ANSYS軟件APDL語言編制參數(shù)化程序?qū)崿F(xiàn)了對海洋工程中常見的3種管節(jié)點(見圖3)快速建模計算。選取殼單元shell181，采用智能化網(wǎng)格劃分方法，對局部關(guān)部分細(xì)化網(wǎng)格，對弦桿端點全約束，對應(yīng)撐桿端施加相應(yīng)的荷載，獲取對應(yīng)關(guān)鍵點的各個應(yīng)力，通過線性插值分別得到軸向力、面內(nèi)彎矩和面外彎矩對應(yīng)的熱點應(yīng)力。

圖3 3種管節(jié)點應(yīng)力計算模型

2 節(jié)點柔性

一般導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型的節(jié)點連接按剛性連接來處理，但對于弦桿內(nèi)沒有加強(qiáng)環(huán)或灌漿的節(jié)點，桿內(nèi)部都是空心，具有一定的軸向和彎曲柔性，若將節(jié)點柔性影響考慮在節(jié)點疲勞計算當(dāng)中，將有助于增加節(jié)點疲勞計算的壽命?？紤]節(jié)點柔性的方法，能比較客觀地反映節(jié)點的抗疲勞能力并使節(jié)點的計算疲勞壽命延長。節(jié)點剛性連接與考慮柔性的連接見圖4。

圖4 節(jié)點剛性連接與考慮柔性的連接

空心管節(jié)點柔性(LJF)定義如下：

(6)

式中：LJFaxial、LJFipb和LJFopb為軸向、平面內(nèi)和平面外節(jié)點柔性；faxial、fipb和fopb為軸向、平面內(nèi)和平面外節(jié)點柔性影響系數(shù)；E為材料彈性楊氏模量；D為弦桿外徑。

節(jié)點柔性可通過在模型節(jié)點中施加彈簧來實現(xiàn)，彈簧的剛度為節(jié)點柔性的倒數(shù)。節(jié)點柔性影響系數(shù)f為計算節(jié)點柔性的關(guān)鍵系數(shù)，該系數(shù)與節(jié)點形式、桿件尺寸等有關(guān)。相關(guān)規(guī)范有節(jié)點柔性影響系數(shù)計算公式，計算中根據(jù)節(jié)點類型及尺寸計算響應(yīng)的系數(shù)即可，海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計常用軟件SACS、SEASAM中已經(jīng)均可以直接實現(xiàn)。

3 疲勞裂紋擴(kuò)展分析

檢測中發(fā)現(xiàn)節(jié)點出現(xiàn)疲勞裂紋一般需要采用疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法，主要通過計算裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界尺寸和裂紋尺寸參數(shù)編號趨勢，對有裂紋的節(jié)點進(jìn)行評估，判斷當(dāng)前裂紋是否因此節(jié)點失效或者給出未來檢測周期。

裂紋擴(kuò)展的疲勞壽命為[11]

(7)

式中：ai為初始裂紋尺寸；af為最終裂紋尺寸；c和m為與材料、環(huán)境，以及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)的常數(shù)；Kth為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子；Y為裂紋幾何形狀參數(shù)；Δσ為循環(huán)應(yīng)力幅值；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

式中ai、af、Δσ以及N4個參數(shù)中已知3個可以得到另外1個，疲勞裂紋擴(kuò)展分析中可以先結(jié)合節(jié)點極端應(yīng)力和斷裂評估失效圖得到af，然后再結(jié)合循環(huán)應(yīng)力幅值，得到極限循環(huán)次數(shù)從而得到疲勞壽命。

在該方法應(yīng)用中，需要獲取一些關(guān)鍵的文件數(shù)據(jù),如疲勞裂紋數(shù)據(jù)、材料廠家證書、焊接工藝評定、CTOD試驗報告以及對應(yīng)節(jié)點的節(jié)點極端應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)力幅值等。

4 工程算例

4.1 管節(jié)點疲勞熱應(yīng)力有限元分析方法

對南海某平臺進(jìn)行疲勞分析時發(fā)現(xiàn)，多個疲勞節(jié)點計算不能滿足延壽要求，應(yīng)用自編軟件生成ANSYS命令流計算得到應(yīng)力集中系數(shù)，再進(jìn)行譜疲勞分析，對TK、T和K型分別選取一個節(jié)點進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表1、2。

表1 南海某導(dǎo)管架平臺節(jié)點采用SACS推薦公式計算SCF進(jìn)行疲勞分析結(jié)果

表2 南海某導(dǎo)管架平臺節(jié)點采用有限元計算SCF進(jìn)行疲勞分析結(jié)果

4.2 節(jié)點柔性方法

對上述3個節(jié)點，分別利用SACS軟件對不考慮節(jié)點柔性和考慮節(jié)點柔性兩種情況進(jìn)行譜疲勞分析，結(jié)果對比見表3。

表3 南海某導(dǎo)管架平臺節(jié)點考慮節(jié)點柔性疲勞分析結(jié)果

4.3 疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法

針對上述平臺3個焊縫疲勞裂紋利用Crackwise軟件進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析計算，計算中除需要錄入材料參數(shù)外，還需要輸入SACS計算得到的節(jié)點極限荷載、疲勞循環(huán)荷載等數(shù)據(jù)，3個桿件位置均為鞍點，極限荷載海況為百年一遇海況，計算結(jié)果見表4。

表4 南海某導(dǎo)管架平臺有裂紋節(jié)點疲勞裂紋擴(kuò)展分析分析結(jié)果

5 結(jié)論

1)疲勞極限狀態(tài)分析方法通過有限元計算應(yīng)力集中系數(shù)方法、考慮節(jié)點柔性以及斷裂力學(xué)分析方法充分挖掘結(jié)構(gòu)潛力，為老齡導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞問題提供較好的評估方法。

2)有限元計算應(yīng)力集中系數(shù)方法同節(jié)點柔性方法相比對節(jié)點疲勞影響較小，但此方法是國內(nèi)外規(guī)范中均推薦的處理方法，并經(jīng)過試驗驗證，得到廣泛的認(rèn)可。節(jié)點柔性方法優(yōu)化效果良好，但尚有爭議，仍需要進(jìn)一步分析論證。

3)疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法從分析已出現(xiàn)裂紋的危險程度及擴(kuò)展趨勢方面挖掘平臺結(jié)構(gòu)潛力，該方法有較多的工程應(yīng)用案例，是一種可靠的針對已有裂紋的疲勞極限狀態(tài)評估方法，可以用于基于風(fēng)險的檢測計劃制定。

4)可以考慮將幾種方法可以聯(lián)合使用，例如疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法應(yīng)用時可以考慮將有限元計算的應(yīng)力集中系數(shù)錄入，會有更好的效果。