徐連勇，彭晨濤，趙雷，韓永典，馮超

(1.天津大學,天津,300350；2.天津大學,天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室,天津,300350)

0 序言

中國是世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國，保障能源安全始終是一個重大戰(zhàn)略問題[1-2].一方面，國內(nèi)對油氣需求日益增加，油氣對外依存度不斷攀升；另一方面，國際局勢復雜變化，非傳統(tǒng)安全威脅日益凸顯，對國內(nèi)保障能源安全不斷提出新挑戰(zhàn)、增添新風險[3-4].隨著陸地能源的日益衰竭，海洋能源的合理開發(fā)與利用成為當前社會經(jīng)濟發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[5].海洋油氣生產(chǎn)正從近海逐漸向深水、超深水發(fā)展，陵水17-2 氣田開發(fā)項目—深海1 號能源站是世界上首個萬噸凝析油儲油半潛平臺，擁有世界上最大的桁架式半潛組塊，還要滿足30 年不回塢的超長壽命設計要求.但復雜多變的海洋環(huán)境使開采工程面臨疲勞、腐蝕等多方面的威脅，深水浮體平臺服役期間的安全性是其設計、制造、安裝、運營過程中重點需要解決的關鍵.

深水浮體平臺疲勞壽命的計算主要依據(jù)S-N設計曲線以及斷裂力學方法，由于斷裂力學的方法起步較晚并不成熟，尚未被采入到各國船級社規(guī)范中，現(xiàn)有規(guī)范均以S-N 曲線法為主.利用S-N 曲線法計算疲勞壽命時，選擇合理的S-N 曲線是進行準確疲勞評估的關鍵.選取S-N 曲線的一條重要原則就是所評估位置處的應力定義必須與獲取S-N 曲線時的應力定義一致.其中，為工程結(jié)構(gòu)的安全服役帶來挑戰(zhàn)的主要方面是疲勞失效，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效多發(fā)生于焊接接頭位置[6-8].

基于此，研究者已經(jīng)對于焊接結(jié)構(gòu)的疲勞行為開展了大量研究[9-11].Shen 等人[12]對船舶結(jié)構(gòu)中夾層復合L 形接頭極限強度和疲勞性能進行了全尺寸測試，對不同載荷幅值下的疲勞壽命和失效模式進行了分析和預測，開發(fā)了具有應力水平和裂紋長度的疲勞壽命模型，實現(xiàn)了夾層復合L 型接頭疲勞壽命的準確預測.Fricke 等人[13]對船體加筋板結(jié)構(gòu)的疲勞強度進行了全尺寸的實驗和數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)全尺寸試驗在第一次裂紋出現(xiàn)后，裂紋擴展階段相對較長，需要一個合理的失效判別準則，并利用名義、結(jié)構(gòu)熱點以及有效缺口應力法對疲勞壽命進行評估，發(fā)現(xiàn)缺口應力法可以部分解釋疲勞失效行為.Lillemaee 等人[14]對激光復合焊接船體甲板薄壁結(jié)構(gòu)小型和全尺寸試樣的疲勞行為進行了分析，發(fā)現(xiàn)由于初始變形變化大，名義應力法不適用于薄壁焊接結(jié)構(gòu)，而在適當考慮初始畸變形狀和幾何非線性的情況下，熱點應力可以更好地描述薄焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度，并且在控制初始變形的大小和形狀以及焊接質(zhì)量的前提下，全尺寸結(jié)構(gòu)同樣可以實現(xiàn)高疲勞強度.Larsen 等人[15]對利用主成分分析方法對疲勞過程中的應力-時間關系進行了描述，并且在一定程度上能夠?qū)Υ笮秃Ｑ蠛附咏Y(jié)構(gòu)的多軸疲勞和不同頻率條件下的疲勞行為進行評估.Mei 等人[16]通過對經(jīng)典疲勞行為分析模型的回顧與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)應力梯度是不同結(jié)構(gòu)的試樣疲勞行為存在區(qū)別的主要原因，據(jù)此提出了一種改進的基于應力梯度的方法，實現(xiàn)了疲勞極限的分析與良好預測.Kang 等人[17]總結(jié)了目前對于疲勞行為的研究手段，指出幾何不連續(xù)性、多軸復雜載荷以及多尺度試樣的研究將成為將來疲勞行為研究的重點.

由于深水浮體平臺焊接結(jié)構(gòu)的尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜、承受載荷復雜等因素，導致其疲勞行為分析難以全面考慮多尺度因素的綜合影響.目前的研究大多局限于相對小尺寸的標準試樣性能分析，大型結(jié)構(gòu)件疲勞研究仍存在著很多不足.標準試樣無法全面反映復雜結(jié)構(gòu)的應力集中和尺度效應對疲勞行為的影響，難以滿足大型復雜結(jié)構(gòu)件的疲勞設計需求.此外，目前的研究多集中于對某一特定影響因素的分析，對多重影響因素綜合作用條件下的疲勞行為研究有待進一步深入.因此，針對惡劣環(huán)境、大板厚、復雜載荷條件下的疲勞行為研究開發(fā)涵蓋小尺寸焊接試樣、全板厚焊接試樣、局部焊接結(jié)構(gòu)的材料級-節(jié)點級-結(jié)構(gòu)級的疲勞試驗系統(tǒng)具有重要的理論與工程意義.

1 多尺度疲勞測試試驗平臺的構(gòu)建

為實現(xiàn)對上述問題的破局，天津大學與中海油聯(lián)合中機試驗裝備有限公司攻克了拉壓+彎曲同相位/反相位加載、雙軸拉伸+彎曲疲勞中心點控制、雙軸拉壓+雙軸彎曲等復雜載荷下的多油缸協(xié)同控制等技術瓶頸，研制了國際首臺套雙軸拉壓+雙軸彎曲復合加載的結(jié)構(gòu)級疲勞測試裝置(圖1)[18]，以及國際首臺套拉壓+彎曲復合加載的全尺寸焊接節(jié)點(焊接接頭)疲勞測試設備(圖2)，還開發(fā)了空氣、海水自由腐蝕、陰極保護腐蝕等多種復雜環(huán)境下標準試樣的材料級疲勞測試系統(tǒng)，形成了多尺度、多環(huán)境、多荷載的“材料級-節(jié)點級-結(jié)構(gòu)級”焊接結(jié)構(gòu)疲勞測試試驗平臺，適用于不同尺度、不同類型、不同結(jié)構(gòu)、不同環(huán)境下的疲勞性能測試.

圖1 結(jié)構(gòu)級疲勞測試裝置Fig.1 Fatigue testing equipment for structural specimens

圖2 全板厚焊接節(jié)點疲勞測試裝置Fig.2 Fatigue testing equipment for full-size specimens

2 多尺度疲勞測試試驗平臺的功能

2.1 雙軸拉壓+雙軸彎曲復合加載的結(jié)構(gòu)級疲勞測試

雙軸拉壓+雙軸彎曲復合加載的結(jié)構(gòu)級疲勞測試裝置，最大單軸拉伸靜載1 000 噸，彎曲靜載50 噸，單軸拉壓動載800 噸，彎曲動載50 噸(圖3).試驗力可同時加載至峰谷值以滿足不同復雜焊接結(jié)構(gòu)試樣在單軸拉壓、單軸彎曲、雙軸拉壓、雙軸彎曲以及單/雙軸拉壓-彎曲復合載荷作用下的疲勞試驗，具備雙軸位移控制加載時保證中心點不變和相位可調(diào)加載功能，具有操作簡單、可靠性高、安全系數(shù)高、響應速度快以及控制精度高等特點.該設備解決了深水浮體平臺服役過程中承受的多軸、隨機的疲勞載荷的模擬表征難題.

圖3 多軸復合加載方式Fig.3 Multiaxial composite loading method

深海一號能源站在服役期間，下浮體產(chǎn)生的疲勞損傷主要由波浪載荷引起的循環(huán)應力所致，其設計壽命為30 年，整體結(jié)構(gòu)疲勞分析采用譜疲勞分析計算，平臺整體譜疲勞分析結(jié)果如圖4 所示.可以看出平臺疲勞薄弱處多位于立柱與浮筒連接位置.其中立柱與浮筒之間肘板的焊縫與自由邊處疲勞壽命最低，是決定平臺結(jié)構(gòu)服役壽命的關鍵節(jié)點.為驗證深海一號結(jié)構(gòu)的疲勞設計，根據(jù)如圖5所示的立柱與浮筒連接結(jié)構(gòu)局部模型，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)級縮尺模型以進行疲勞性能測試.

圖4 深水平臺疲勞薄弱部位Fig.4 Fatigue weak position of semi-submersible hull structure

圖5 立柱與浮筒連接結(jié)構(gòu)局部模型Fig.5 Local model of column and pontoon connection structure

深水浮體平臺中立柱與浮箱連接位置結(jié)構(gòu)尺寸為20 m × 20 m × 0.05 m,為滿足結(jié)構(gòu)級疲勞測試的尺寸要求，對立柱與浮筒連接結(jié)構(gòu)進行比例1∶20 縮尺，設計了20 mm 厚的縮尺模型，用于研究立柱跟浮箱連接結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài).縮尺模型的支撐形式或邊界條件與實際下浮體的焊接細節(jié)有所不同，但是焊接細節(jié)和實際模型的局部應力狀態(tài)等效，并采用相同的局部幾何構(gòu)造.如圖6 所示，縮尺模型在雙軸拉伸及彎曲載荷條件下的應力分布、應力危險位置與實際模型保持一致.同時熱點應力集中系數(shù)相等，如表1 所示，滿足等效的有效性與合理性，真實有效地反映實際深水浮體平臺危險截面焊接細節(jié)的疲勞性能.

圖6 拉-壓-彎曲加載應力分布Fig.6 Stress distribution under tension-compression-bending loading.(a) scale model;(b) load loading condition;(c) biaxial tensile stress distribution;(d) lateral bending stress distribution

表1 熱點應力集中系數(shù)計算結(jié)果Table 1 Calculation results of hot spot stress concentration coefficient

對縮尺模型進行雙軸拉-彎曲復合載荷作用下的疲勞試驗，使用聲發(fā)射儀器檢測裂紋萌生壽命及疲勞發(fā)生位置，在距離肋板與浮箱的焊趾0.5t和1.5t處進行局部熱點應變測量，并在肋板與立柱焊趾處粘貼應變花進行三軸局部熱點應變測試，配合實時視頻監(jiān)控觀察實驗過程中的疲勞裂紋擴展行為，檢測系統(tǒng)圖及視頻監(jiān)測如圖7～ 圖8 所示.

圖7 疲勞監(jiān)測系統(tǒng)Fig.7 Fatigue monitoring system components

圖8 結(jié)構(gòu)級疲勞行為監(jiān)測Fig.8 Fatigue behavior monitoring for structuralcomponents

2.2 拉壓+彎曲復合加載的全板厚焊接節(jié)點疲勞測試

拉壓+彎曲復合加載疲勞測試設備的垂向加載伺服作動器與彎曲加載伺服作動器可以單獨工作或者共同工作實現(xiàn)單軸拉壓、單軸彎曲或者雙軸拉壓-彎曲復合載荷同時加載，最大拉伸靜載300 噸，彎曲靜載50 噸，拉壓動載240 噸，彎曲動載50 噸.可用于復雜工況下深水浮體平臺等大型船舶板架結(jié)構(gòu)或板板結(jié)構(gòu)的焊接節(jié)點的疲勞性能分析與疲勞設計.

一般來說，整個疲勞失效過程可分為三個階段：裂紋萌生、裂紋擴展和不穩(wěn)定快速裂紋，其中占主導作用的為裂紋萌生和穩(wěn)定裂紋擴展階段[19-20].與小尺寸標準試樣的疲勞試驗相比，試樣尺寸和厚度越大意味著裂紋萌生后的裂紋擴展階段較長，擁有更高的裂紋擴展壽命，但厚度會增加帶來的尺度效應以及裂紋前緣在板厚中心處的應力拘束程度，從而提高裂紋擴展速率，因此，如何準確的獲得疲勞試樣的全壽命是實驗測試的難點.

裂紋長度曲線的整體特征與剛度退化曲線相對應.裂紋擴展的時間越長，剛度下降的程度越大[21].微觀損傷累積導致微觀或宏觀裂紋的萌生和擴展，這反映在剛度的逐漸退化上.裂紋萌生后進入裂紋擴展階段，剛度逐漸降低.在載荷控制下的高周疲勞測試中，剛度的退化導致到達實驗值的位移量增大，如圖9 所示.在穩(wěn)定裂紋擴展階段，位移量隨著裂紋長度的變化相對穩(wěn)定的增長；當剛度退化程度過大時，位移量增長發(fā)生失穩(wěn)狀態(tài)，位移增長速率急劇增大.

圖9 位移量隨時間變化Fig.9 The peak displacement varies with time

IIW[22]對于大型疲勞性能測試給出裂紋擴展長度擴展至板厚一半時失效的判別建議.通過提取循環(huán)周期內(nèi)到達峰值時的位移量，利用線性回歸方程實時獲得了循環(huán)周期下的位移增長率.根據(jù)全尺寸焊接接頭的疲勞性能結(jié)果和裂紋擴展過程分析，提出了位移快速增長率超過25%的全板厚焊接節(jié)點疲勞性能測試終止條件，既保證了試驗結(jié)果又有效防止試驗設備的損傷.

基于數(shù)字圖像技術實現(xiàn)了全尺寸疲勞試樣在整個疲勞過程中裂紋萌生處應變場的動態(tài)監(jiān)測，以及裂紋擴展過程中裂紋長度自動測量、疲勞裂紋的位移、應變場，可全面表征全尺寸焊接節(jié)點疲勞性能和行為.如圖10 所示，在疲勞萌生階段，由于存在幾何不連續(xù)性，在焊趾處表現(xiàn)出明顯的局部應力集中現(xiàn)象，應變場監(jiān)測結(jié)果顯示在紅色位置處應變最大，從焊趾沿厚度方向應變逐漸減小.在裂紋擴展階段，由于裂紋的產(chǎn)生，焊趾處至裂紋尖端的裂紋張開位移遠大于其他部位，在全局中展現(xiàn)出明顯位移變化，有效表征出裂紋的產(chǎn)生和擴展.

圖10 疲勞全壽命DIC 應變監(jiān)測Fig.10 DIC strain monitors the whole fatigue life

在此基礎上，開展了不同厚度、載荷形式下焊接節(jié)點的疲勞性能分析，全板厚焊接接頭的S-N 曲線如圖11 所示.載荷形式和板厚均對焊接接頭的疲勞性能產(chǎn)生影響，拉伸/彎曲復合載荷對焊接接頭疲勞性能降低程度最大，然后是拉伸載荷，彎曲載荷次之；隨著厚度的增加，焊接接頭疲勞壽命隨之降低.

厚度的增加導致疲勞性能降低原因主要是由幾何尺寸改變所帶來的應力梯度和應力集中程度變化導致[23].由于局部應力集中的存在，焊趾處沿厚度方向其應力分布逐漸降低.在相同名義應力下，厚度的增加，幾何不連續(xù)性提高，應力集中程度隨之增大.同時沿厚度方向上應力產(chǎn)生的應力梯度減小，高應力范圍擴大，危險區(qū)所包含的晶粒數(shù)目和缺陷也增加，更容易萌生裂紋.

2.3 多種環(huán)境焊接接頭標準小試樣疲勞測試

腐蝕疲勞是深水浮體平臺承受的重要疲勞方式之一，腐蝕疲勞由機械損傷和腐蝕損傷組成，對深水浮體平臺的安全服役造成安全隱患，因此對腐蝕疲勞行為的研究具有十分重要的意義[24].

不同環(huán)境下焊接接頭小試樣疲勞性能研究過程中，發(fā)現(xiàn)人造海水的腐蝕作用與真實海水的腐蝕作用基本相同.如圖12 所示，對比空氣和海水腐蝕下的焊接接頭疲勞性能發(fā)現(xiàn)海水的腐蝕作用使得焊接接頭試樣的疲勞性能顯著下降.焊接接頭在人造海水自由腐蝕環(huán)境下的疲勞性能約為空氣環(huán)境的70%，陰極保護腐蝕環(huán)境下的疲勞性能約為空氣中的90%，說明對海水中的試樣施加陰極電位，可以有效保護焊接接頭試樣免受海水的腐蝕作用，從而提高深水浮體平臺的疲勞性能.

3 多尺度疲勞測試試驗平臺的意義

深水浮體平臺中面臨著結(jié)構(gòu)形式復雜、尺寸龐大、載荷形式多變等因素，在服役過程中還面臨著海水腐蝕等惡劣工況，如何準確的通過S-N 曲線預測關鍵節(jié)點疲勞壽命是保證深水浮體平臺服役時間的關鍵.

英國能源部通過對16 mm 厚焊接接頭進行大量的拉伸疲勞測試制定了1 根P 曲線為基準曲線.不同接頭形式、載荷工況、尺度，服役環(huán)境等差異性通過轉(zhuǎn)換P 曲線來反應.如今大船級社和焊接學會所推薦的疲勞S-N 曲線的母型大多源于英國能源部的S-N 曲線[25].根據(jù)典型幾何結(jié)構(gòu)、焊接工藝、載荷形式提供了使用的S-N 曲線.

對于深水浮體平臺中特殊、新型節(jié)點以及大板厚、多軸復雜載荷的情況目前各大船級社在基準曲線上，采用熱點應力法和缺口應力法來計算其疲勞壽命.然而上述情況均未進行實際疲勞性能測試，現(xiàn)有S-N 曲線和計算方法是否可以準確評估其疲勞壽命有待于進一步研究.

針對上述情況，本試驗平臺可以用于揭示深水浮體平臺焊接結(jié)構(gòu)件焊接工藝、服役環(huán)境以及載荷狀態(tài)對疲勞性能的影響，探明構(gòu)造復雜的不同焊接細節(jié)的疲勞性能，進一步完善符合中國材料特點、焊接特點以及載荷特點的深水浮體平臺疲勞設計曲線，有力推動中國深水平臺焊接結(jié)構(gòu)疲勞設計指南與規(guī)范的發(fā)展.

4 結(jié)論

(1)多尺度疲勞測試平臺適用于不同尺度、不同類型、不同結(jié)構(gòu)、不同環(huán)境下的疲勞性能測試.針對深水浮體平臺關鍵特殊焊接節(jié)點，根據(jù)實際服役條件，實現(xiàn)了多軸、隨機的疲勞載荷的結(jié)構(gòu)級疲勞壽命驗證.

(2)針對全尺寸焊接節(jié)點，提出了位移快速增長率超過25%的全尺寸焊接節(jié)點疲勞性能測試終止條件疲勞，精準獲得了疲勞試樣的全壽命，并耦合數(shù)字圖像技術，成功表征了全尺寸焊接節(jié)點疲勞性能和行為.

(3)多種環(huán)境下焊接接頭小試樣疲勞測試設備可根據(jù)深水浮體平臺關鍵節(jié)點服役環(huán)境進行疲勞性能測試，更加真實的反映在實際工況下的疲勞行為.

(4)本平臺測試成果可以揭示深水浮體平臺焊接結(jié)構(gòu)件在不同材料、焊接工藝、服役環(huán)境以及復雜載荷狀態(tài)下對疲勞性能的影響，實現(xiàn)深水浮體平臺焊接結(jié)構(gòu)疲勞設計驗證，為中國建設世界一流水平的深水浮體平臺、超深水浮體平臺的疲勞設計、建造與運維奠基.