考慮點腐蝕影響的海洋鋼結構剩余極限強度研究進展

王 芳，張岳林，蘇里陽，趙仕婷，白有林，胡鵬飛

(1. 華中科技大學 自動化學院，湖北 武漢 430000；2. 中國人民解放軍 91404 部隊，河北 秦皇島 066000；3. 中國人民解放軍 91550 部隊，山東 煙臺 265700；4. 武漢鐵路職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430033；5. 海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

考慮點腐蝕影響的海洋鋼結構剩余極限強度研究進展

王 芳1，張岳林2，蘇里陽3，趙仕婷4，白有林4，胡鵬飛5

(1. 華中科技大學 自動化學院，湖北 武漢 430000；2. 中國人民解放軍 91404 部隊，河北 秦皇島 066000；3. 中國人民解放軍 91550 部隊，山東 煙臺 265700；4. 武漢鐵路職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430033；5. 海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

為得到考慮點腐蝕影響的海洋鋼結構剩余強度研究領域的發(fā)展趨勢，本文對國內外該領域公開發(fā)表的文章進行綜述，根據本文的研究可以發(fā)現：由于海洋鋼結構的大尺度和復雜性，數值模擬已成為受蝕船體結構剩余強度的主要研究方法，但模擬結構的有效性仍需進一步檢驗；對于點腐蝕，就研究參數而言，長細比、DOP、體積損失是學者們最為關注的指標，但對點蝕板強度缺少時變可靠性研究；計算模型中都缺乏對焊接殘余應力的考慮。本文所做的研究可為該領域下一步研究方向提供參考。

海洋鋼結構；極限強度；點腐蝕

0 引 言

腐蝕以及腐蝕相關問題被認為是造成老齡船舶結構以及其他類型海洋鋼結構失效的主要因素之一[1]。從安全的角度來講，腐蝕可以導致厚度減薄、疲勞斷裂、脆性斷裂、失穩(wěn)等危害性結果。進而根據船舶類型的不同造成船員生命、財產的損失和海洋環(huán)境的污染。

對于發(fā)生均勻腐蝕的船體板，整個鋼板表面的腐蝕損耗厚度被認為相同，因此，在發(fā)生均勻腐蝕鋼板的剩余強度評估中，只需根據剩余厚度進行計算即可。然而，對于發(fā)生點腐蝕的鋼板，整個鋼板不同位置的厚度減少不盡相同，極大地增加了評估點蝕鋼板剩余強度的難度[2]。目前尚未出現公認的方法對點蝕鋼板極限強度進行評估，但學者們一致認為由于鋼板腐蝕厚度的不規(guī)則性，用解析法評估點蝕鋼板的極限強度很困難。對于點腐蝕，傳統的做法是通過等截面損失將點腐蝕等效為均勻腐蝕，該方法顯然沒有考慮由于局部腐蝕而產生的應力集中。由于點腐蝕的普遍存在及其巨大的破壞性，近年來，考慮腐蝕的艦船的剩余強度評估領域的工作重心正在由均勻腐蝕向點腐蝕轉變[3]。

1 受蝕船體板的前處理

1.1 幾何屬性和初始缺陷

在海洋工程中，船體一般由大量板結構組成，這些板結構包括以下 3 種結構要素：1）板面（板、加強筋自由翼板和波紋板）；2）小型支撐構件（加強筋、橫梁和柱）；3）主要支撐構件（梁）[4]。純板可認為是大多數海洋結構物的基本組成元素，主要承受軸向載荷（拉伸和壓縮），而支撐構件被設計用來抵御側向載荷、剪切和彎曲。板和加筋（梁柱）板作為基本模型在考慮腐蝕影響的局部結構分析中被頻繁的使用。結構模型的簡化使學者們能夠把精力集中在多種腐蝕損傷上。為了簡便地對局部結構構件進行描述和分類，板的長寬比 α，長細比 β 和柱長細比 λ 如下式所示：

式中：a，b 和 t 分別為板長、板寬和板厚；σy為屈服強度；E 為楊氏模量為回轉半徑，I 為截面慣性矩；A 為包括板和加強筋在內的截面積。

對于船體和海洋結構，β 的變化范圍一般為1.5～3.5[4]。幾何屬性對腐蝕結構單元的影響被廣泛研究，特別是長細比的影響極為重要。相反的，Rahbar-Ranji[5-6]和 Paik 等[7]表示長細比對強度減少沒有影響。很多學者認為長細比是壓縮極限強度減少的主導參數，然而黃一等[2]、Ok 等[8-9]和 Paik 等[10]強烈認為長細比對壓縮和剪切強度減少的影響可以忽略不計。這些相反的結論主要通過數值研究得出，因此除了多種被選擇參數之間的復雜相互作用外，證明數值模型方法中潛在的不確定性也十分必要。

作為基本幾何參數的補充，由于建造水平的限制，幾何變形不可避免，在強度分析中應當予以考慮。一般來說，由于建造過程之中和之后的不確定性因素，用數值分析方法得到變形量十分困難。缺陷值可以通過試驗手段來確定，然而，為了簡化問題，初始缺陷通常通過文獻[11]中定義的不同缺陷性狀的特征值屈曲分析中的最低階屈曲模態(tài)來確定。而且，通過能量測量定義的初始缺陷可以提供更經濟的極限強度評估[12-13]。幾何缺陷在由于腐蝕損傷而造成的壓縮和彎曲強度減少的數值研究中經常被考慮，然而，不同初始缺陷對由于腐蝕損傷而造成的壓縮和彎曲強度減少的影響在文獻中尚未被研究。

1.2 焊接引起的缺陷

除了幾何缺陷，在船體建造過程中由于切割和焊接引起的殘余應力也不可避免。在冷卻時，局部收縮和殘余拉伸應力直到屈服應力在這些區(qū)域出現，而在鄰近區(qū)域殘余壓應力出現來保持平衡。就腐蝕影響研究而言，只有文獻[14, 15]將焊接殘余應力分別應用到承受單向軸壓縮載荷的加筋板和板模型中。腐蝕特征分布在壓縮或拉伸殘余應力區(qū)域。Dunbar 等[14]得出拉伸殘余應力區(qū)域的腐蝕主要減少柱極限強度并在腐蝕出現在壓縮區(qū)域時提高屈服強度的結論。Tamagawa和 Kim 報導了即使不考慮腐蝕參數的影響，殘余應力也會降低極限強度[15]，但當由于腐蝕造成的厚度減少變得重要時，殘余應力的影響程度開始降低。以上 2項研究都在考慮腐蝕損傷后使用各種方法研究了船體板屈曲的再平衡狀態(tài)。而且，Tamagawa 和 Kim[15]還更新了預定義的幾何缺陷來滿足該平衡。然而，上述研究大多忽略了焊接的影響。學者們認為焊接殘余應力并不重要，而由于點腐蝕造成的極限強度減少是首要考慮的問題[7]。Nakai[16]對完整船體板的殘余應力進行了研究并得出殘余應力可以被忽略的結論。另一個不考慮殘余應力的原因是調整效應，隨著船體服役年限的增加，船體結構構件會經歷持續(xù)的加載和卸載，由于材料的塑性焊接殘余應力會減小。胡勇等[17]認為搖蕩作用對承受拉伸和壓縮載荷的船體板有重要影響，而且提出了 2 種預測船體板應力-應變曲線的方法并與有限元法做了對比。Paik 和 Thayamballi[4]建議減小的拉伸殘余應力（如 80%σ）可以用于添加到搖蕩的影響。然而，目前尚未出現公開發(fā)表的同時考慮搖蕩行為和腐蝕影響的文章。

1.3 邊界條件

無論試驗還是模型的邊界條件都完全依賴于船外板上被研究結構構件的位置。不同的邊界條件直接決定不同的失效模式和極限強度。對于一個連續(xù)的板結構（見圖 3），理想的邊界條件如簡支或者固支被認為足夠滿足工程設計意圖[4]。然而，對于單軸壓縮和邊緣剪切狀態(tài)，通過保持非受載邊筆直可以使板的極限強度提高 18%（尤其對于薄板）[4,18]。而且，周期性對稱邊界條件被報導可以包含兩跨加筋板的對稱和非對稱崩塌模式[19-20]。總體來講，幾乎所有公開發(fā)表的關于受蝕板單元或加筋板在壓縮或剪切載荷下的極限強度研究都應用了簡支邊界條件。然而，為了達到簡支邊界條件，很少有研究使用了相同的約束方法。更為普遍的事實是邊界條件沒有清楚的定義。

2 研究方法

2.1 模型試驗

盡管花費時間、金錢并受到許多參數的限制，但就發(fā)展和檢驗數值方法的有效性并基于新概念理解新結構系統的崩塌特性而言，模型試驗法在評估結構構件漸進崩塌特性中總是必不可少[21]，人工腐蝕模式經常被應用到試件中來控制被研究參數。載荷-位移關系通過在試件表面離散位置放置應變測量儀來監(jiān)控。為了更好地測量不規(guī)則橫截面的平均應力變化，Ahmmad和 Sumi 的試驗中采用了視野傳感系統（a vision sensor system）[22]。

Paik 等[7]和 Nakai 等[23]使用不同的邊界條件進行了壓縮試驗。Paik 等將壓縮載荷應用到含有均勻分布人造蝕坑的箱型板結構中來模擬簡支的邊界條件。Nakai等的試驗是在兩端固支的鋼板上進行的。Paik 等對2 個點蝕度（degree of pitting）值進行了試驗，結果表明當 DOP 值約為 10% 時鋼板的極限強度見笑了 20%。在 Nakai 等的試驗中，腹板上規(guī)則分布了銑削的不同DOP 和位置的人造蝕坑。得到的極限強度小于或等于均勻分布的試件。對于相同的 DOP 值，蝕坑的位置越靠近腹板中心時，極限強度越小。然而，與蝕坑在中心位置時相比，蝕坑集中在腹板兩端時鋼板的極限強度更小。該發(fā)現尚未得到合理的解釋。一般來說，這2 種情況下板的強度值都比表面周期性分布蝕坑的情況小。

在腐蝕船體板件文獻中，拉伸試驗的論述更為頻繁。Nakai 等[16,23]、Sumi 等[22,24]和 Appuhamy 等使用標準拉伸試驗步驟處理了 3 組試驗。3 組試驗中都包含了腐蝕模式試件。需特別指出的是，Nakai 等和 Sumi等的研究焦點在于船體結構而 Appuhamy 等更為關注受蝕鋼質船橋。試驗結果表明名義拉伸強度和拉伸率由于腐蝕而減小。與均勻腐蝕試件相比，點腐蝕對拉伸強度的減弱程度更大。破壞點可等效為最小厚度點或均勻厚度點。重要的是，學者們確信規(guī)則分布、具有固定直徑的蝕坑可以模擬實際隨機分布的蝕坑（當前者的固定直徑和后者的平均直徑相等時）。然而，在 Appuhamy 等的工作中，并不清楚為什么輕微腐蝕和中度腐蝕試樣（最小腐蝕厚度/初始厚度 = 0.5～1）的拉伸強度比無腐蝕的試樣高。而且，Nakai 等的結論是對于點腐蝕，與壓縮強度和彎曲強度相比，拉伸強度更為脆弱，然而 Sumi 等建議 Paik 等[7]壓縮強度減小的經驗公式對于含圓錐形和橢圓形蝕坑鋼板的拉伸強度同樣適用，這表明腐蝕鋼板的拉伸強度和壓縮強度并無明顯區(qū)別。

在板單元、加筋板（梁柱）和箱梁模型的極限強度分析中，彎曲試驗也經常被采用。文獻[23, 25]在腹板上含有人造腐蝕特征的加筋板上進行了 3 點和 4 點彎曲試驗。發(fā)現在 4 點彎曲的情況下屈曲模式為橫向畸變而在 3 點彎曲的情況下為局部面屈曲。點蝕對橫向畸變屈曲強度幾乎沒有影響而且可以被處理成等平均厚度損失的均勻腐蝕。在板單元上做的 4 點彎曲試驗表明含點蝕表面鋼板的彎曲強度和拉伸、壓縮強度并無明顯區(qū)別。但相對于壓縮/拉伸/剪切強度而言，由于點蝕引起的彎曲強度減小更為明顯，這與 Nakai等[16]的發(fā)現時相反。3 種箱型梁上也進行了 4 點彎曲試驗，在該試驗[26-27]中累計腐蝕程度逐漸減小。在嚴重腐蝕的情況（平均腐蝕厚度 2.62 mm）下，極限彎矩最大減小了 64.7%。

2.2 數值模擬

前文總結的試驗方法幾乎都是在數值方法模擬相似試驗條件的比較下完成的。然而，由于實船結構的大尺度性和復雜性、高拉伸強度鋼的使用（小尺度大變形）以及材料屬性的非線性，數值模型方法已經得到廣泛的應用。非線性有限元分析已經在各種各樣的商業(yè)軟件中得到了補充和發(fā)展，如 Ansys，DNV PULS，ALPS/ULSAP，MSC/MARC 和 Abaqus。2008年，Paik 等發(fā)表了一系列的文章闡述一些候選方法在板結構分析中的適用性。他們認為與更為受限的 Ansys方法相比，DNV PULS 和 ALPS/ULSAP 在計算效率和計算精度上都能滿足非加筋板和加筋板的極限強度評估需求。

多種誤差會導致計算不收斂，包括錯誤的輸入數據，不合適的單元類型，較差的單元形狀/大?。ㄗ杂墒骄W格和映射式網格），錯誤的載荷/邊界條件和不合理的計算方法。而且，由于缺乏對計算元素特性和設置的理解，即使應用相同的試驗條件，不同的商業(yè)軟件可能會產生完全相反的輸出。因此，檢驗數值模型的綜合有效性和可靠性必須。在這部分，本文對文獻中數值研究的總結將主要圍繞各種腐蝕特征、軟件、單元選擇、有效性和主要結論展開。

由于船級社對新型防護涂料日益增長的需求，船舶研究中點腐蝕被更加頻繁的關注。作為潛在提高應力集中的因素，局部蝕坑對船體結構的影響可能是決定性的。學者們在模擬不同的 DOP、蝕坑深度、蝕坑形狀、蝕坑大小、分布規(guī)律和分布位置的點腐蝕模式上進行了大量的數值研究。表 3 總結了由于點腐蝕造成強度降低的模型研究，包括典型模型，有效性檢驗和控制參數?？梢钥闯鳇c腐蝕的影響研究主要集中在壓縮、拉伸、剪切、彎曲載荷下的板單元上。局部腐蝕模式是矩形面積或不同形狀的蝕孔（圓柱形、圓錐形、半球形或橢圓形）。結構屬性如長寬比、細長比也和腐蝕特性一樣被考慮。對于點腐蝕的若干重點發(fā)現總結如下：

1）涂層：所有的結構構件被認為沒有涂層防護或至少忽略了涂層對強度的貢獻。然而，腐蝕位置和蝕坑分布并不經常被實測腐蝕模式驗證。也就是說，點蝕研究中沒有涉及到腐蝕模型。

2）長寬比和長細比：Paik 等[7]建議板的長寬比和長細比對甚于強度降低的影響可以被忽略。江曉俐和Guedes Soares 認為當 DOP 相同時長寬比可以被忽略，但長細比卻控制著崩潰特性。Khedmati 等[28]認為長細比和長寬比的影響不同。

3）初始缺陷：不同形狀的幾何缺陷幾乎應用到了所有的模型上，但少量的工作中考慮了焊接殘余應力。

4）蝕坑形態(tài)：文獻[23]認為蝕坑形狀是必須的參數，因此應該基于結構構件的位置建模，然而 Paik 等[7]和黃一等[2]陳述了對于強度減少應該沒有太大影響所以應該被簡單的處理為圓柱形。而且，在全船壽命周期內不同時刻的蝕坑形態(tài)還未見有效的研究。

5）控制參數：就腐蝕和結構特性而言，不同的控制參數是針對不同的載荷狀態(tài)提出的。特別的是，對于壓縮載荷、體積損失、DOP[16,29]或最小橫截面積[7]是主要控制參數。對于拉伸載荷，常見的結論是最小橫截面積是主要控制參數[22,24]。DOP 被認為控制剪切強度降低[10]，而等厚度損失或最小橫截面積對彎曲強度[25,30]最重要。可以看出，結論取決于被學者們認為重要的參數。然而，被研究參數尚未被聯系到實際腐蝕評估。

6）有效性：模型的試驗有效性檢驗比較缺乏，尤其是在壓縮和剪切載荷下。殼單元和體單元的相互比較并不能作為有說服力的有效性檢驗，因為對于不同的單元類型，FEA 中包含的控制方程一樣。

表 1 點蝕鋼板的數值分析（a）Tab. 1 Numerical analyses of pitting corrosion of steel plates（a）

表 2 點蝕鋼板的數值分析（b）Tab. 2 Numerical analyses of pitting corrosion of steel plates（b）

3 結 語

總的來說，從 2010 年開始，由于計算能力可行性的提高，對于均勻腐蝕使用數值方法取得了更大的重視。然而，無論代表腐蝕表面的眾多粗糙表面模擬的可行性，日益嚴格的防腐要求已從一般的情況轉變?yōu)榫植扛g形態(tài)，暗示了局部腐蝕建模需要更大的關注。自從 2002 年，點腐蝕已成為強度評估領域的主要方面。學者們嘗試用不同的方法來簡化點蝕區(qū)域來簡化參數分析和節(jié)約計算成本。然而，基于實際點蝕模式如何被解釋（在結構表面或更為集中的區(qū)域分布），在 2013 年 Silva 等建立了單點合并模型之前并沒有真正意義上的進展。無論對于均勻腐蝕還是點腐蝕，單軸/雙軸壓縮載荷都是學者們最為感興趣的試驗條件。就結論而言，由于各參數之間復雜的相互作用，被研究參數和載荷條件的不同不易導致不一致的結果。因此，學者們在最近的參數研究中趨向于定義有限數量的變量，目的在于聚焦于像長細比，DOP 和體積損失等最主要的參數。不幸的是，在數值研究中，合理的有效性檢驗比較缺乏，這影響了可靠性和一些關鍵性實例研究中主要發(fā)現的有效性。

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Review of marine structures residual ultimate strength considering pitting corrosion

WANG Fang1, ZHANG Yue-lin2, SU Li-yang3, ZHAO Shi-ting4, BAI You-lin4, Hu Peng-fei5
(1. College of Automation, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430000, China; 2. No.91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066000, China; 3. No.91550 Unit of PLA, Yantai 265700, China; 4. Wuhan Railway Vocational College of Technology, Wuhan 430033, China; 5. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To get the development trend of marine structures residual ultimate strength considering the influence of corrosion, the paper reviewed articles published in this field at home and abroad, according to the research of this paper: due to the large scale and complexity of marine structures, numerical simulation has become the main research method of the residual strength of corroded marine structures, but the simulation validation still needs further inspection. In terms of corrosion parameters, slenderness ratio, DOP, volume loss were the most attention indexes for researchers, but there is a lack of timedependent research. The calculation model is lack of considering welding residual stress. The review done in this paper can provide reference for further research in this field.

marine structures；ultimate strength；pitting corrosion

U661.43

A

1672 - 7619(2017)02 - 0006 - 06

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.002

2016 - 07 - 23；

2016 - 08 - 15

王芳(1990 - )，女，碩士研究生，研究方向為機械自動化。