王慶豐,徐興振，徐 剛,王樹齊

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,鎮(zhèn)江 212003)

復合立管作為海洋油氣資源開發(fā)必不可少的設備之一,越來越受到人們的關注,很多學者針對損傷圓管構件強度和結構行為的影響進行了大量的試驗和理論研究[1-2],但是針對裂紋損傷下的立管剩余強度研究很少．文獻[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,對損傷管子做出相應的假設,得到不同邊界條件構件載荷-位移響應的解析式．文獻[4]中將邊界條件和初始載荷對管的影響考慮在內(nèi),應用四節(jié)點的殼單元,對在靜態(tài)和動態(tài)載荷作用下管的響應做了分析．并借鑒了Wierzbicki模型簡化的方法,推導出求解只受側向載荷管位移響應的解析式,并將解釋式計算結果與有限元計算結果對比,驗證了解析式的正確性．文獻[5]中將不同極限海況考慮在內(nèi),對深水頂張式立管非線性運動及浪致疲勞損傷進行了分析,并結合S-N曲線方法,研究了波浪對立管疲勞性能的影響．文獻[6]中通過FEM對受到內(nèi)壓和波浪力作用下的立管疲勞特性進行分析,研究了裂紋尺寸(長度和深度)大小對疲勞壽命的影響,得出了立管疲勞壽命的解析式，并推導出含裂紋海洋立管的失效概率、可靠性指標的計算公式．

剩余強度是結構系統(tǒng)在一個或者多個構件因受損或者失效后仍能繼續(xù)承受載荷的能力．疲勞裂紋是海洋結構物中最為常見的一種時變損傷,它是在疲勞載荷長期作用下產(chǎn)生并擴展的．立管在海平面附近的法蘭處有較高的應力集中,且此區(qū)域的應力循環(huán)幅值比較大,很容易出現(xiàn)疲勞裂紋．在交變載荷作用下,疲勞裂紋會發(fā)生擴展直至構件失效．文中以新型復合立管為研究對象,針對關鍵構件進行剩余極限強度研究,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度變化規(guī)律．

1 關鍵構件模型的建立

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

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

圖1 復合立管主剖視圖Fig.1 Main sectional view of composite rise

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

對于裂紋損傷的新型復合立管結構剩余極限強度的研究,通常假設在應力集中區(qū)域已經(jīng)存在一條裂紋來研究裂紋對結構剩余強度的影響[7],裂紋定義在出現(xiàn)應力最大法蘭的開孔處,如圖3．文中對新型復合立管關鍵構件的極限強度研究是通過有限元增量法獲得轉角與曲率的關系來確定的．

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

對深水立管結構的極限強度分析[8],主要考慮受彎情況．載荷的施加采用MPC法,施加方式是在結構需要施加載荷的兩個斷面中心位置處建立一個節(jié)點,然后使用MPC單元約束斷面節(jié)點,使得端面每個節(jié)點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)點上．文中根據(jù)MPC法原理,對關鍵構件的兩端面進行約束處理,并在節(jié)點上施加一個ω=0.01rad/s的轉角,如圖4．

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

2 裂紋損傷下關鍵結構剩余極限強度分析

2.1 無損條件下關鍵構件極限強度分析

立管結構極限承載力是評估剩余強度的基礎,必須考慮關鍵構件無損傷時在彎曲載荷作用下的極限承載力,計算結果如圖5．關鍵構件受彎極限承載力為434 593 N·m,并得出極限狀態(tài)下關鍵構件彎曲—曲率關系曲線,如圖6．在轉角θ小于0.01 rad時,彎矩基本隨轉角的增大線性增加;轉角在0.018 rad左右時,彎矩達到最大值;在轉角大于0.025 rad時,彎矩基本保持穩(wěn)定．

圖5 極限狀態(tài)下關鍵構件應力分布Fig.5 Stress distribution of key component under ultimate condition

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

2.2 關鍵構件損傷下的剩余極限強度分析

立管結構在全壽命周期內(nèi),疲勞損傷會導致結構的極限承載力減小．計算關鍵構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,計算結果如圖7．從圖7可以看出:在初期，結構的剩余極限承載力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)壁導致立管功能失效,此時結構的剩余強度為330 860 N·m,與初始狀態(tài)得到的結果相比極限強度下降了24.04%．

圖7 關鍵構件彎曲—曲率關系Fig.7 Relation between moment and curvature of key component

通過對深水新型復合立管關鍵構件全壽命剩余強度分析,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 裂紋損傷下關鍵構件剩余極限強度Table 2 Residual ultimate strength of key component in the crack damage

圖8 關鍵構建在裂紋損傷下極限強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 初始裂紋尺寸對關鍵構件剩余極限強度的影響

初始裂紋尺寸對結構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．微觀裂紋的研究對現(xiàn)實工程來說意義不大,通常把宏觀裂紋的出現(xiàn),作為疲勞裂紋的起始標志．對于表面裂紋來說,起始裂紋深度c尺寸達到0.15 mm、長度方向尺寸a達到0.5 mm就被認為裂紋的起始;對于貫穿裂紋當裂紋長度尺寸為0.2 mm時,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,得到時變裂紋損傷下關鍵構件的剩余極限強度,繪制剩余極限強度隨服役年限變化的曲線(圖9)．從圖中基本可以看出,隨著服役年限的進一步增加,初始裂紋長度尺寸越大,新型復合立管剩余極限強度下降的越快．

圖9 不同初始裂紋長度隨服役年限變化 對關鍵構件剩余強度的影響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,得到時變裂紋損傷下關鍵構件的剩余極限強度,繪制剩余極限強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 對關鍵構件剩余強度的影響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論,即隨著服役年限的進一步增加,初始裂紋深度尺寸越大,新型復合立管剩余極限強度下降的越快．

2.4 壁厚腐蝕對關鍵構件剩余極限強度的影響

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

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

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

3 結論

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

(2) 關鍵構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構的極限強度下降速度加快;初始裂紋長度尺寸的變化對關鍵構件極限強度的影響要大于初始裂紋深度的變化對關鍵構件的極限強度影響．

(3) 隨著腐蝕壁厚的增加,立管的剩余極限強度減小比較明顯．關鍵構件壁厚腐蝕量為15%的極限強度比無損傷時的極限強度下降了44.74%．因此,有必要對新型復合立管法蘭結構采取防腐措施．

(4) 通過對腐蝕、裂紋損傷狀態(tài)下關鍵構件極限強度進行計算得出,聯(lián)合損傷狀態(tài)對關鍵構件極限承載力影響最大．