导管架节点低周疲劳评估方法

董树贤

(中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司,天津 300452)



导管架节点低周疲劳评估方法

董树贤

(中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司,天津 300452)

针对导管架平台在海洋环境中的结构低周疲劳问题，结合分析模型和设计规范，采用Neuber假设进行塑性修正，通过应变范围得到伪热点应力范围，并确定热点应力与伪热点应力之间的关系，采用伪热点应力取代热点应力换算出一种新的S-N曲线作为低周疲劳的设计曲线，以伪热点应力作为计算量来预测节点的低周疲劳寿命。

导管架；应力幅；低周疲劳

结构的疲劳行为可分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳循环载荷对应的应力和应变主要处于弹性范围，结构具有较长的失效循环次数；而低周疲劳由反复塑性应变造成，结构的失效循环次数较短。导管架平台在海洋环境中时常会受到大风暴或者其他意外的大载荷作用，会导致节点处的应力幅值超过材料本身的屈服强度，当超过一定次数的时候，结构将产生低周疲劳。海洋平台的低周疲劳破坏是威胁平台安全运行的潜在因素，一旦导管架发生断裂事故，不仅可能导致生产中断，更会引起财产损失甚至人员伤亡等严重后果[1]。为此，结合NORSOK standards N006[2]和挪威船级社相关的标准，将热点应力通过Neuber假设进行塑性修正，转化为伪热点应力，然后再利用基于伪热点应力的低周疲劳寿命设计曲线计算疲劳寿命。

1 低周疲劳寿命评估方法

低周疲劳是指循环次数小于104次，以高应力-应变，低循环寿命为特点的疲劳。在对钢结构构件和节点的低周疲劳寿命研究中,较为常用的分析方法有:S-N曲线分析方法和局部应变分析方法[3-4]。

1.1 S-N曲线分析方法

在疲劳载荷的作用下，导管架节点会出现不同类型的应力集中，在大载荷的作用下可能发生塑性变形，从而影响结构整体的延性。节点的应力幅值将超过材料的屈服点，此时需要对弹性应力幅进行修正，从而得到实际的应力幅值。S-N曲线分析方法是基于高周疲劳的分析思想引入到低周疲劳的研究，通过一定的假设将S-N曲线中的应力幅(Δσ)由应变幅(Δε)来表达，并对相关的参数进行相应变换，从而实现对结构构件和节点的低周疲劳分析。规范NORSOK-N006中对于结构节点的低周疲劳分析就采用的此种方法，具体可以简述为以下流程。

首先结合Neuber′s假设和循环应力-应变曲线，如图1所示, Neuber′s方程可写为

(1)

式中：σn——名义应力；

SCF——通过线形分析得到的节点位置的应力集中系数；

E——弹性模量；

n,K′——材料系数，可通过实验得到；

σactualHSS——实际热点应力。

图1 循环应力-应变曲线与Neuber双曲线

得到实际热点应力σactualHSS后，通过Ramberg-Osgood方程可推导节点处实际应变εnl。

(2)

从而可以得到伪热点应力。

(3)

通过得到的伪热点应力，结合DNV-RP-C203规范给定的不同连接形式的节点S-N曲线可以计算低周疲劳寿命。

(4)

式中：a,m——材料常数，可对照DNV-RP-C203[5]规范的疲劳细节类型得到。

1.2 局部应力分析方法

应用于结构低周疲劳分析的局部应力分析方法是通过材料的疲劳特性来确定裂纹形成寿命。通过考虑材料的塑性特性，采用非线性有限元的方法计算热点应变幅，结合目前有关塑性应变幅和寿命关系式应用最广泛的是Coffin-Manson公式，即

式中：b,c——材料疲劳强度和延性指数；

N——循环次数；

DNV-PR-C208[6]给出了如何计算热点应变幅Δεhs的计算方法和焊接节点的相关材料参考系数，见表1。

表1 焊接节点低周疲劳计算次数

图2 焊接管节点应变循环曲线(b=-0.1,c=-0.5)

2 算例

2.1 节点几何及材料参数

分别采用以上2种方法对一个T形管节点在面外循环载荷作用下的低周疲劳进行分析。该T形管节点的几何形状和相关尺寸见图3。

图3 节点几何形状和尺寸

假定其材料循环应力应变行为符合Ramberg-Osgood方程，材料系数见表2。

(6)

图4 材料应力-应变

2.2 有限元分析模拟

采用ABAQUS软件对该节点进行非线性有限元分析，网格采用8节点壳单元(S8R)，热点应力附近网格尺寸按照DNV-RP-C203[5]对管节点网格尺寸的推荐做法给定，见图6、7。边界条件及施加载荷见图8、9。

图5 热点位置示意

图6 模型整体网格示意

图7 模型节点局部细化网格示意

图8 模型边界条件示意

图9 模型施加载荷示意

2.3 S-N曲线分析方法评估结果

根据DNV-RP-C203[5]和有限元计算结果，推导出等效热点应力为420.16 MPa, 根据材料特性和NORSOK的相关方程，推导出伪热点应力为1 019.9 MPa(图10)。结合前面已经推导的低周疲劳计算方程，得出低周疲劳寿命设计曲线(图11)，从而计算循环次数N=1 375。

图10 等效热点应力和伪热点应力关系

图11 低周疲劳S-N曲线

2.4 局部应力分析方法结果

1)首先建立总应变幅，用第3载荷步计算得到的值减去第2载荷步计算所得的值。

2)提取选择的2个外推点(a和b)的主应变范围。

3)按照线性外插出热点应变幅Δεhs。

热点应力幅Δεhs计算如下，结果见表3。

(7)

按照Coffin-Manson公式可以反推出低周疲劳循环次数为N=1 300。

表3 热点应变幅

3 结论

对NORSOK-N006和挪威船级社的规范中的关于结构低周疲劳的分析方法进行简要的汇总和说明，并通过简单的管节点计算，发现以上规范给出的2种方法计算得到的低周循环次数基本相同。未来的工程设计或者结构评估中，可以参考以上办法对导管架结构进行简要的低周疲劳评估，已降低平台低疲劳破坏的风险。

图12 载荷步2的最大主应变

图13 载荷步3的最大主应变

图14 Coffin-Manson公式允许的最大低周循环次数

[1] 李锋，孟广伟，周立明.随机载荷作用下结构低周疲劳可靠性研究[J].机械设计,2010(8):79-82.

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

[3] 田雨，纪卓尚.船舶结构低周疲劳分析方法[J].哈尔滨工程大学学报，2011(2):153-158.

[4] 姚艳萍,陈瑞峰,林钏明.导管架平台管节点的疲劳分析与寿命估计[J].中国造船，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

董树贤(1974—)，男，学士，工程师

U661.4;P752

A

1671-7953(2016)05-0035-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油设施平台结构检测及安全评估

E-mail:dongshx@cnooc.com.cn