導管架節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作業公司,天津 300452)

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導管架節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作業公司,天津 300452)

針對導管架平臺在海洋環境中的結構低周疲勞問題，結合分析模型和設計規范，采用Neuber假設進行塑性修正，通過應變范圍得到偽熱點應力范圍，并確定熱點應力與偽熱點應力之間的關系，采用偽熱點應力取代熱點應力換算出一種新的S-N曲線作為低周疲勞的設計曲線，以偽熱點應力作為計算量來預測節點的低周疲勞壽命。

導管架；應力幅；低周疲勞

結構的疲勞行為可分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞循環載荷對應的應力和應變主要處于彈性范圍，結構具有較長的失效循環次數；而低周疲勞由反復塑性應變造成，結構的失效循環次數較短。導管架平臺在海洋環境中時常會受到大風暴或者其他意外的大載荷作用，會導致節點處的應力幅值超過材料本身的屈服強度，當超過一定次數的時候，結構將產生低周疲勞。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，一旦導管架發生斷裂事故，不僅可能導致生產中斷，更會引起財產損失甚至人員傷亡等嚴重后果[1]。為此，結合NORSOK standards N006[2]和挪威船級社相關的標準，將熱點應力通過Neuber假設進行塑性修正，轉化為偽熱點應力，然后再利用基于偽熱點應力的低周疲勞壽命設計曲線計算疲勞壽命。

1 低周疲勞壽命評估方法

低周疲勞是指循環次數小于104次，以高應力-應變，低循環壽命為特點的疲勞。在對鋼結構構件和節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，導管架節點會出現不同類型的應力集中，在大載荷的作用下可能發生塑性變形，從而影響結構整體的延性。節點的應力幅值將超過材料的屈服點，此時需要對彈性應力幅進行修正，從而得到實際的應力幅值。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，通過一定的假設將S-N曲線中的應力幅(Δσ)由應變幅(Δε)來表達，并對相關的參數進行相應變換，從而實現對結構構件和節點的低周疲勞分析。規范NORSOK-N006中對于結構節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。

首先結合Neuber′s假設和循環應力-應變曲線，如圖1所示, Neuber′s方程可寫為

(1)

式中：σn——名義應力；

SCF——通過線形分析得到的節點位置的應力集中系數；

E——彈性模量；

n,K′——材料系數，可通過實驗得到；

σactualHSS——實際熱點應力。

圖1 循環應力-應變曲線與Neuber雙曲線

得到實際熱點應力σactualHSS后，通過Ramberg-Osgood方程可推導節點處實際應變εnl。

(2)

從而可以得到偽熱點應力。

(3)

通過得到的偽熱點應力，結合DNV-RP-C203規范給定的不同連接形式的節點S-N曲線可以計算低周疲勞壽命。

(4)

式中：a,m——材料常數，可對照DNV-RP-C203[5]規范的疲勞細節類型得到。

1.2 局部應力分析方法

應用于結構低周疲勞分析的局部應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變幅，結合目前有關塑性應變幅和壽命關系式應用最廣泛的是Coffin-Manson公式，即

式中：b,c——材料疲勞強度和延性指數；

N——循環次數；

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

表1 焊接節點低周疲勞計算次數

圖2 焊接管節點應變循環曲線(b=-0.1,c=-0.5)

2 算例

2.1 節點幾何及材料參數

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

圖3 節點幾何形狀和尺寸

假定其材料循環應力應變行為符合Ramberg-Osgood方程，材料系數見表2。

(6)

圖4 材料應力-應變

2.2 有限元分析模擬

采用ABAQUS軟件對該節點進行非線性有限元分析，網格采用8節點殼單元(S8R)，熱點應力附近網格尺寸按照DNV-RP-C203[5]對管節點網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 模型整體網格示意

圖7 模型節點局部細化網格示意

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果

根據DNV-RP-C203[5]和有限元計算結果，推導出等效熱點應力為420.16 MPa, 根據材料特性和NORSOK的相關方程，推導出偽熱點應力為1 019.9 MPa(圖10)。結合前面已經推導的低周疲勞計算方程，得出低周疲勞壽命設計曲線(圖11)，從而計算循環次數N=1 375。

圖10 等效熱點應力和偽熱點應力關系

圖11 低周疲勞S-N曲線

2.4 局部應力分析方法結果

1)首先建立總應變幅，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)的主應變范圍。

3)按照線性外插出熱點應變幅Δεhs。

熱點應力幅Δεhs計算如下，結果見表3。

(7)

按照Coffin-Manson公式可以反推出低周疲勞循環次數為N=1 300。

表3 熱點應變幅

3 結論

對NORSOK-N006和挪威船級社的規范中的關于結構低周疲勞的分析方法進行簡要的匯總和說明，并通過簡單的管節點計算，發現以上規范給出的2種方法計算得到的低周循環次數基本相同。未來的工程設計或者結構評估中，可以參考以上辦法對導管架結構進行簡要的低周疲勞評估，已降低平臺低疲勞破壞的風險。

圖12 載荷步2的最大主應變

圖13 載荷步3的最大主應變

圖14 Coffin-Manson公式允許的最大低周循環次數

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

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

[3] 田雨，紀卓尚.船舶結構低周疲勞分析方法[J].哈爾濱工程大學學報，2011(2):153-158.

[4] 姚艷萍,陳瑞峰,林釧明.導管架平臺管節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:海洋石油設施平臺結構檢測及安全評估

E-mail:dongshx@cnooc.com.cn