半潛式生產平臺船體結構關鍵節點工程臨界評估

尹彥坤易滌非

(1. 中海石油(中國)有限公司海南分公司,海口 570100;2. 中海油安全技術服務有限公司湛江分公司,湛江 524057)

0 引 言

隨著我國海洋石油開發走向深海,半潛式生產平臺作為浮式平臺主流類型之一廣泛用于油氣開采和處理。半潛式生產平臺要在整個生命周期內不間斷地在海上作業,船體結構整體疲勞壽命要求遠高于半潛式鉆井平臺,通常是其數倍,這對結構疲勞設計分析和建造技術提出了更高的要求。

基于斷裂力學的疲勞評估方法有別于傳統的基于S-N曲線的疲勞強度計算方法,其觀點是帶裂紋的構件只要裂紋不到臨界長度(或深度)仍可使用。在循環載荷作用下,裂紋緩慢擴展,直至達到臨界長度,構件才失穩破壞。作用載荷每循環一周,裂紋的擴展量da/dN是材料的一個指標,表示材料抵抗裂紋擴展的能力和裂紋的擴展速率[1]。對于大型構件,裂紋的擴展在整個疲勞壽命中占主導地位,該方法從構件本身存在初始裂紋出發,研究裂紋在交變載荷下的擴展特性,是對傳統疲勞實驗和分析方法的補充和發展。

1 半潛式生產平臺關鍵節點應力分析

對關鍵節點的裂紋進行工程臨界評估,需要得到節點在極端工況的應力和長期的應力幅分布數據,以便確定節點裂紋失效臨界狀態,得到裂紋評估的基礎數據。

半潛式生產平臺在服役狀態承受靜載荷和動載荷,靜載荷包括重力、浮力(靜水壓力)、系泊/立管/臍帶纜力、風力/流力等;動態載荷包括波浪引起的水動力壓力和平臺加速度引起的慣性載荷[2]。極端工況的波浪荷載的計算一般采用設計波法,設計波法是根據等效作用力原理,用規則波浪載荷代替隨機波浪載荷以便簡化加載和分析[3]。對平臺進行整體有限元分析和局部有限元分析,可以得到該節點的極端工況最大應力,此應力用來確定裂紋失效臨界狀態。

疲勞分析需要輸入長期的應力幅分布數據,可采用譜分析方法得到。根據觀測結果,平臺所在海域的海浪符合JONSWAP 頻譜,峰升因子為2.0[4]。對船體結構進行頻域分析,可以得到關鍵節點的應力幅傳遞函數,傳遞函數的方向、數量與年度波高周期概率表一一對應。可按照下述方法計算得到該節點的一年海況下的應力幅統計柱狀圖,步驟如下[5]:

(1)傳遞函數的平方乘以JONSWAP 海浪頻譜,得到應力譜:

(2)應力譜的K 階矩定義如下,

跨零周期

應力的概率密度符合瑞利分布:

(3)有效應力幅

有效次數

式中:T為某一海況持續時長;Δσo為應力幅閾值;m為裂紋擴展參數。

導纜器(fairlead)與船體結構的對接焊縫處(見圖1),由于常年承受錨纜的動態張力,疲勞載荷較為顯著,因此選擇此節點進行分析。根據上述方法,得到該節點在極端海況的應力為339 MPa,一年期的應力幅統計柱狀圖如圖2所示[6]。

圖1 關鍵節點-導纜器與船體連接處Fig.1 Critical joint-connection between fairlead and hull

圖2 導纜器節點一年期的應力幅統計柱狀圖Fig.2 Annual stress range histogram of fairlead joint

一年期的應力幅統計無加載次序的信息,這與海浪的隨機性相對應。根據加載次序對裂紋擴展進行研究,首先施加較大的應力幅荷載將引起更快的裂紋擴展,也將獲得更為保守的評估結果。因此在后續的計算中應按照從大到小的順序施加應力幅。

2 工程臨界評估的方法與流程

2.1 FAD圖綜合評定

工程臨界評估(engineering critical assessment,ECA)是一種以國際認可的實踐經驗,對不能滿足規范嚴格要求的結構,在特定的時間段和特定的環境條件下安全工作的評估方法。

ECA 是在斷裂力學的基礎上,應用斷裂評定曲線(failure assessment diagram,FAD)方法進行的。FAD 圖的縱軸是斷裂載荷與斷裂韌性的比值,FAD圖的橫軸是實際載荷與引起塑性破壞的極限載荷的比值(見圖3)。在圖中繪制一條評定曲線,計算含缺陷結構的評定點的坐標或軌跡。這些點的位置通過與評定曲線的比較來確定缺陷是否可接受。截止線Lrmax用來防止局部塑形破壞。

圖3 FAD[8]Fig.3 Failure assessment diagram[8]

FAD 圖縱坐標代表的斷裂比率因子(Kr)按如下方程計算

FAD 圖的橫軸代表的載荷比的定義如下:

式中:PL(a,σY)為在一定缺陷尺寸a和屈服強度下的剛塑性限制載荷;σref為參考應力。

定義評定曲線的方程如下[7]:

對于Lr≤Lrmax,有

對于Lr＞Lrmax,有

式中:E為鋼材彈性模量,εref為參考應變,其中σY為屈服強度,σU為極限強度。相關參數的計算可參考BS 7910規范。

圖4 FAD 評定流程Fig.4 Flowchart of FAD

2.2 裂紋擴展原理

裂紋擴展是影響構件疲勞壽命的重要因素之一。運用斷裂力學原理和Paris法則,可以預測一個裂紋成長到一定程度并最終失效的循環次數。當一個初始裂紋成長到一個臨界裂紋尺寸,它會變得不穩定并轉變為一個再表征裂紋。隨后,當一個再表征裂紋達到一個臨界裂紋尺寸,由結構脆性斷裂引起的疲勞失效就發生了。

一個平面疲勞裂紋的擴展可以由兩組裂紋擴展速率方程式描述,應用Paris法則,有

式中:A、m為與材料、環境和加載頻率相關的常數。對于ΔK＜ΔK0,ΔK0為裂紋擴展的閾值,假設da/dN為零。

ΔK是應力強度因子幅,與結構外形、應力幅、裂紋尺寸有關,由下述公式計算:

式中:Y為應力強度因子修正系數;Δσ為應力變化幅。

經過交變應力N個周期的作用之后,裂紋尺寸達到臨界值,不滿足FAD 判據要求。此時便可確定該裂紋擴展的臨界尺寸af、cf,并最終估算出裂紋在疲勞載荷(交變應力)作用下的疲勞壽命N。公式如下:

實際一般采用兩階段增長率方法,如圖5所示。

圖5 裂紋增長兩階段曲線Fig.5 Two stage curve of crack growth

對于海水中的船體結構,參考BS 7910規范,裂紋增長參數如表1所示。

表1 鋼在海水和犧牲陽極環境下的裂紋增長參數[7]Tab.1 Fatigue crack growth laws for steels in a marine environment[7]

3 關鍵節點評估

3.1 輸入數據

根據試驗結果,焊縫相關力學性能指標如表2所示,殘余應力實測值為屈服強度的90%～95%,計算時采用屈服強度。應力應變曲線采用Ramberg-Osgood方程擬合,應變硬化系數和應變硬化指數如表2所示,曲線如圖6所示。

圖6 工程應力應變曲線Fig.6 Engineering stess-strain curve

表2 焊縫力學性能試驗數據[9]Tab.2 Test data of weld mechanical property

經初步估算,表面裂紋對結構疲勞壽命的影響最大,因此假設初始裂紋為表面裂紋,方向與主拉力方向垂直,尺寸由焊接檢驗的精度確定。根據結構設計規范,疲勞壽命安全系數不低于10[10]。初始裂紋特征如表3和圖7所示。

圖7 裂紋特征圖Fig.7 Crack property

表3 初始裂紋特征Tab.3 Initial crack property

3.2 分析結果

以初始裂紋為起點,采用CRACK WISE 6.0軟件對節點進行工程臨界評估和擴展壽命預測,整體分析流程如圖8 所示。隨著年度應力幅的逐年加載,裂紋長度和深度如圖9所示逐步擴展,當裂紋長度擴展到146 mm 時,結構失效,即結構無法承受極端工況下的應力,評估停止;圖10的藍色曲線展示了隨著裂紋逐步擴展,結構狀態逐步到達FAD 圖可接受邊界(黑色曲線)的過程。根據分析結果,裂紋擴展壽命為505年,代表節點的疲勞壽命安全系數為16.8倍,滿足要求。

圖8 裂紋擴展壽命評估流程圖Fig.8 Flowchart of crack growth life assessment

圖9 裂紋尺寸增長曲線Fig.9 Growth curve of crack size

4 結 語

在設計和建造階段,基于斷裂力學的疲勞評估方法,能夠基于材料試驗、建造精度、焊接工藝、無損探傷等實際情況進行評估,給出可接受的臨界裂紋尺寸和預計疲勞壽命,確定結構監測預警的臨界值。在后期的平臺運行維護中,如果定期水下檢驗發現結構出現局部裂紋,則基于S-N曲線的疲勞評估方法將不可用,只能采用上述方法來評估結構的安全性;如果裂紋尺寸超過臨界值或者剩余壽命不滿足要求,則需要對結構采取打磨、修復或加強處理,反之如果滿足要求,則可以不處理以節約費用。因此,基于該方法的評估結果可以指導平臺全生命周期的運維策略的制訂。