考虑点腐蚀影响的海洋钢结构剩余极限强度研究进展

2018-01-26李茂林韩术亮海洋石油工程股份有限公司天津300461

中国建材科技 2018年2期

李茂林韩术亮（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

通常我们认为与腐蚀相关的问题是主要造成老化船舶结构和海洋钢结构失去功效的原因之一，从安全方面来说，腐蚀对于厚度和断裂、失衡等等都有非常严重的后果，船舶类型的不同就会在不同程度上给员工的安全、海洋的环境等等造成损害。船舶发生腐蚀均匀我们就认为损耗的厚度相同，而且在评估剩余强度的时候就只要利用钢板的剩余厚度来计算就好。但是一般发生点腐蚀的钢板许多位置的厚度都是不一样的，这导致在计算钢板极限强度的时候非常困难。而且最重要的是目前并没有统一的评估点腐钢板强度的方法，而且专业人士认为钢板点腐蚀厚度不一致，利用解析式来计算点腐蚀钢板的极限强度是非常困难而且不准确的，因此在计算的时候都是来通过点截面来进行计算。点腐蚀的破坏力非常大，因此目前评估海洋钢结构剩余强度的工作重心从均匀腐蚀转变为点腐蚀。

1 受蚀船体板的前处理

1.1 初始缺陷

海洋工程中的船体是用板结构组成的，包括版面、主要和小型支撑构件。纯板是海洋结构中最基本的组成元素，主要受到轴的拉伸和压缩，支撑结构主要是抵抗弯曲和剪切的。而腐蚀影响中最基本的模型是板和梁柱，也是使用最多的，而且简化结构模型能够把专业人员的注意力集中在多种损伤上面。在腐蚀结构单元中最首要研究的属性就是几何属性，最重要的就是长细比，但是一些学者例如Paik认为长细比对于强度的减少没有影响。大多数的学者认为长细比是压缩极限强度减少最重要的原因，但是仍旧有一部分学者例如黄一则认为长细比对压缩和剪切的影响都可以小到忽略。根据这一现象可以知道除了受参数之间的相互影响也证明了模型方法也有非常多的不确定性。补充几何参数会受到建造水平的影响，几何会变形，在强度分析的时候应该考虑这个因素。但是一般在建造过程中和建造完成之后都有很大的不确定性，利用数值分析法来得到变量是很难的。利用实验能够得到缺陷值，但是为了简化问题刚开始都会根据不同的特征来分析最低屈曲模态来进行确认。而且利用能量的初始缺陷能够提供更加合适的极限强度的评估。几何缺陷在腐蚀损伤中造成的一定程度的压缩在研究的时候经常会进行考虑，但是不同的初始缺陷造成的压缩还没有进行专业的评估。

1.2 通过焊接引起的缺陷

除了几何缺陷，在建造船体的时候由于切割、焊接等等在冷却的过程中会出现收缩和参与拉伸应力，因此临近的区域就会有一些残余压应力的出现来保持区域之间的平衡。根据腐蚀影响来说，在加筋板和版模型中利用焊接残余应力，主要是分布在拉伸或者是压缩残余应力的部分。一些学者研究出拉伸残余应力的腐蚀主要是减少柱极限强度的相关结论，而还有学者研究出残余应力即使不受腐蚀参数的影响也会降低极限强度，但是如果腐蚀的厚度比较严重时，残余应力影响的程度就会变小。这两种研究都考虑了受到腐蚀损伤以后利用各种方法研究船的再平衡，而且还有预定义来满足这个平衡。但是这些研究都没有考虑焊接所造成的影响，专业学者认为焊接的残余应力并不重要，最需要考虑的是点腐蚀导致极限强度减少这个问题。他们认为还有一个不需要考虑的就是调整效应，船体使用年限越久，船体结构受到的加载和卸载力度就会更多，因此受到的焊接残余应力很小。

1.3 边界条件

试验和模型的边界条件都是完全按照船外板上构建的位置进行，边界条件不同失效模式和极限强度也就不同，板结构最理想的边界条件是需要满足工程的设计意图，但是单轴压缩状态能够通过保持比值的非受载边来提高极限强度，而且周期性的堆成边界能够包含加筋板对称和非堆成的泵陶氏。总体来说，几乎所有发表的内容都利用了简支边界条件，但是也会利用相同的方法来满足简支边界的条件，而且没有相关的定义。

2 研究剩余强度的方法

2.1 模型试验

在进行模型试验法的时候会花费很多的时间与金钱，但是利用新概念来理解结构系统的崩塌来说，在这个过程中模型试验法必须要有的，人工腐蚀结构经常在实践中用来控制被研究的参数。一些学者例如Nakai用不同的边界条件分别进行了压缩试验，将压缩载荷在箱型板中来模拟边界条件，对两个点蚀度的值进行了试验，结果表明当DOP的值大约为百分之十的时候钢板的极限强度减小百分之二十。蚀坑越靠近腹板中心，则这块钢板的极限强度越小，一般板的强度比周期性的蚀坑小。许多学者认为能够模拟实际的蚀坑来进行分布，但是也有学者做相关的研究认为腐蚀钢板的拉伸强度和压缩的强度并没有很大的区别。

2.2 数值模拟

上文中的许多方法其实都是模拟数值来进行的，但是实体船舶的尺度很大，也比较复杂，使用的材料属于非线性，数值模型的方法已经被广泛应用，在商业软件中非线性的有限元分析已经得到了补充和发展，一些学者在发表文章的时候表明使用一些候选的方式来分析，他们认为DNVPULS和ALPS/ULSAP在计算准确度上足够满足加筋板和非加筋板的极限强度要求。导致计算失误的原因主要是多项误差、数据输入错误、单元外形不合格等等。而且即使其他条件都一致，但是不理解计算元素的相关元素和设置也可能得出与结论完全相反的结果。因此在检验数值模型的时候必须要可靠。目前新型涂料的需求逐渐变多，点腐蚀被业内学者更加关注，通过研究可以得出点腐蚀主要受到弯曲、压缩、拉伸等等，钢结构中局部的腐蚀模型都是矩形或者是其他不同的形状。