3種導管架疲勞極限狀態分析方法的應用比較

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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海洋平臺結構檢測與評估作為平臺結構完整性管理中的重要環節，在老齡海洋平臺延壽服役中將起到關鍵的作用，同時在具體項目實施過程中也會面臨各種實際問題。比如，老齡平臺按照常規基于S-N曲線的疲勞設計分析方法進行評估，部分節點疲勞壽命在當年不滿足疲勞計算壽命要求，但水下檢測卻沒有發現任何疲勞裂紋，為保證平臺的安全，提出了今后1年1檢的ACFM水下無損檢測周期。然而，水下檢測尤其是超過50 m的海域，需要借助工程船支持并進行水下機器人(ROV)或飽和潛水，作業實施風險大，費用高，很難作為常規檢測方法來實施。因此，采用傳統的疲勞分析方法其分析結果往往與實際情況有較大的差別，過于保守的評估導致檢測頻率很高從而引起費用的增加。

國外的海洋平臺開發應用較早，平臺延壽使用較為普遍，疲勞極限狀態分析已經發展比較成熟。國內的海洋平臺結構延壽使用中關于疲勞極限狀態分析比較缺乏工程實踐經驗，但在其他工程(如鐵路、設備)已有應用[1-3]。疲勞極限狀態分析在挪威石油標準NORSOK N—006[4]有相關要求，但具體實施和運用需要研究。

對于在役平臺的評估不同于平臺設計，為保證更契合實際情況，需要考慮更多的特殊因素[5]，例如對平臺實際荷載情況進行調查并修正；通過有限元分析方法求取與節點構造更為接近的應力集中系數，以獲取更為真實的熱點應力；采用實際結構的S-N曲線以獲取更為可靠的疲勞能力；考慮節點柔性等。這些疲勞極限狀態分析方法在平臺結構延壽及完整性管理中與管理成本直接相關。

為此，需要針對管節點疲勞熱點應力有限元分析方法、節點柔性方法及斷裂力學評估方法的實現效果進行比較。

1 管節點疲勞熱應力有限元分析

管節點疲勞壽命與節點熱應力有關，而節點熱應力與節點應力集中系數有關，在設計中管節點應力集中系數一般采用Kuang和Efthymiou等經驗公式[6]。這些公式來源于大量的有限元分析和試驗結果，在結構設計中廣泛應用，但在平臺結構完整性管理過程中，特別是當需要挖掘某些關鍵節點疲勞極限能力時，可以通過具體有限元模擬實現，另外隨著技術的發展有限元模擬技術也在進步，相關的規范也推薦了一些具體的計算方法，通過對具體節點的有限元模擬可以得到更為準確的數據，修正疲勞評估參數[7]。

1.1 應力集中系數有限元分析方法

管節點熱點應力計算如下。

Fhot=SCFax·fax±SCFipb·fipb

Fhot=SCFax·fax±SCFopb·fopb

(1)

式中：Fhot為熱點應力；fax為軸向力引起的名義應力；fipb為平面內彎矩引起的彎曲名義應力；fopb為平面外彎矩引起的彎曲名義應力；SCFax為軸向力對應的應力集中系數；SCFipb為平面內彎矩引起的管節點鞍點處對應的應力集中系數；SCFopb為平面外彎矩引起的管節點冠點處對應的應力集中系數。

管節點荷載形式見圖1。

圖1 管節荷載形式

應力集中系數由下式求取。

SCFax=Fhot/fax

SCFipb=Fhot/fipb

SCFopb=Fhot/fopb

(2)

由軸向力、面內彎矩和面外彎矩對應的名義應力可根據軸向應力和彎曲應力公式求得，軸向力、面內彎矩和面外彎矩對應的熱點應力可通過有限元分析方法求得，在有限元分析模型中，分別施加與求取名義應力一樣值的軸向力、面內彎矩和面外彎矩分別獲得相應的熱點應力。

1.2 有限元計算熱點應力

對重點關注的管節點進行有限元分析得到熱點應力是常見處理方法，在有限元數值模擬中選取熱點應力方法尤為重要，國內外相關研究也較多，但一般學術界熱點應力選取焊縫處極值應力[8-10]，工程界一般采用外推法獲取熱點應力，推薦采用NV-RP-C203第4節所介紹的熱點應力選取方法。

計算中不考慮焊縫模擬，熱點應力通過圖2中a和b的應力值進行線性差值計算得到。

1)對于撐桿，選取沿撐桿表面垂直于焊趾沿線進行外推獲取，其中a和b分別為

圖2 管節荷載形式

(3)

2)對于弦桿冠點，選取沿弦桿表面垂直于冠點位置焊趾沿線進行外推獲取，a和b分別為

(4)

3)對于弦桿鞍點，選取沿弦桿表面垂直于鞍點位置焊趾沿線進行外推獲取，a和b分別為

(5)

1.3 ANSYS參數化實現

為方便工程計算應用，基于版本為17.0的ANSYS軟件APDL語言編制參數化程序實現了對海洋工程中常見的3種管節點(見圖3)快速建模計算。選取殼單元shell181，采用智能化網格劃分方法，對局部關部分細化網格，對弦桿端點全約束，對應撐桿端施加相應的荷載，獲取對應關鍵點的各個應力，通過線性插值分別得到軸向力、面內彎矩和面外彎矩對應的熱點應力。

圖3 3種管節點應力計算模型

2 節點柔性

一般導管架結構模型的節點連接按剛性連接來處理，但對于弦桿內沒有加強環或灌漿的節點，桿內部都是空心，具有一定的軸向和彎曲柔性，若將節點柔性影響考慮在節點疲勞計算當中，將有助于增加節點疲勞計算的壽命?？紤]節點柔性的方法，能比較客觀地反映節點的抗疲勞能力并使節點的計算疲勞壽命延長。節點剛性連接與考慮柔性的連接見圖4。

圖4 節點剛性連接與考慮柔性的連接

空心管節點柔性(LJF)定義如下：

(6)

式中：LJFaxial、LJFipb和LJFopb為軸向、平面內和平面外節點柔性；faxial、fipb和fopb為軸向、平面內和平面外節點柔性影響系數；E為材料彈性楊氏模量；D為弦桿外徑。

節點柔性可通過在模型節點中施加彈簧來實現，彈簧的剛度為節點柔性的倒數。節點柔性影響系數f為計算節點柔性的關鍵系數，該系數與節點形式、桿件尺寸等有關。相關規范有節點柔性影響系數計算公式，計算中根據節點類型及尺寸計算響應的系數即可，海洋工程結構設計常用軟件SACS、SEASAM中已經均可以直接實現。

3 疲勞裂紋擴展分析

檢測中發現節點出現疲勞裂紋一般需要采用疲勞裂紋擴展分析方法，主要通過計算裂紋失穩擴展的臨界尺寸和裂紋尺寸參數編號趨勢，對有裂紋的節點進行評估，判斷當前裂紋是否因此節點失效或者給出未來檢測周期。

裂紋擴展的疲勞壽命為[11]

(7)

式中：ai為初始裂紋尺寸；af為最終裂紋尺寸；c和m為與材料、環境，以及應力循環次數有關的常數；Kth為臨界應力強度因子；Y為裂紋幾何形狀參數；Δσ為循環應力幅值；N為應力循環次數。

式中ai、af、Δσ以及N4個參數中已知3個可以得到另外1個，疲勞裂紋擴展分析中可以先結合節點極端應力和斷裂評估失效圖得到af，然后再結合循環應力幅值，得到極限循環次數從而得到疲勞壽命。

在該方法應用中，需要獲取一些關鍵的文件數據,如疲勞裂紋數據、材料廠家證書、焊接工藝評定、CTOD試驗報告以及對應節點的節點極端應力和循環應力幅值等。

4 工程算例

4.1 管節點疲勞熱應力有限元分析方法

對南海某平臺進行疲勞分析時發現，多個疲勞節點計算不能滿足延壽要求，應用自編軟件生成ANSYS命令流計算得到應力集中系數，再進行譜疲勞分析，對TK、T和K型分別選取一個節點進行計算，計算結果見表1、2。

表1 南海某導管架平臺節點采用SACS推薦公式計算SCF進行疲勞分析結果

表2 南海某導管架平臺節點采用有限元計算SCF進行疲勞分析結果

4.2 節點柔性方法

對上述3個節點，分別利用SACS軟件對不考慮節點柔性和考慮節點柔性兩種情況進行譜疲勞分析，結果對比見表3。

表3 南海某導管架平臺節點考慮節點柔性疲勞分析結果

4.3 疲勞裂紋擴展分析方法

針對上述平臺3個焊縫疲勞裂紋利用Crackwise軟件進行疲勞裂紋擴展分析計算，計算中除需要錄入材料參數外，還需要輸入SACS計算得到的節點極限荷載、疲勞循環荷載等數據，3個桿件位置均為鞍點，極限荷載海況為百年一遇海況，計算結果見表4。

表4 南海某導管架平臺有裂紋節點疲勞裂紋擴展分析分析結果

5 結論

1)疲勞極限狀態分析方法通過有限元計算應力集中系數方法、考慮節點柔性以及斷裂力學分析方法充分挖掘結構潛力，為老齡導管架平臺結構節點疲勞問題提供較好的評估方法。

2)有限元計算應力集中系數方法同節點柔性方法相比對節點疲勞影響較小，但此方法是國內外規范中均推薦的處理方法，并經過試驗驗證，得到廣泛的認可。節點柔性方法優化效果良好，但尚有爭議，仍需要進一步分析論證。

3)疲勞裂紋擴展分析方法從分析已出現裂紋的危險程度及擴展趨勢方面挖掘平臺結構潛力，該方法有較多的工程應用案例，是一種可靠的針對已有裂紋的疲勞極限狀態評估方法，可以用于基于風險的檢測計劃制定。

4)可以考慮將幾種方法可以聯合使用，例如疲勞裂紋擴展分析方法應用時可以考慮將有限元計算的應力集中系數錄入，會有更好的效果。