腐蚀损伤下海洋平台极限强度计算方法及试验研究

基于非线性有限元方法,计及材料非线性和几何非线性,考虑腐蚀损伤因素提出了一种固定式海洋平台极限强度计算方法,并以墨西哥湾某海域某典型固定式海洋平台为算例,对其进行全寿命期内极限强度计算,获得了该海洋平台极限强度随服役年限的变化规律。同时依据刚度相似和几何相似,设计完好试验模型和腐蚀试验模型,开展极限强度试验研究,将试验结果与计算结果对比分析,通过试验手段验证了腐蚀损伤下海洋平台极限强度计算方法的有效性。     

腐蚀管道在内压和轴向压力影响下的弯曲破坏

运行在恶劣环境中的海底管道,往往受到内压、轴力和弯矩等复杂荷载的联合作用。腐蚀会导致管壁局部变薄,降低管道极限承载力。为保证管道安全高效运行,准确预测和分析复杂荷载作用下的塑性极限承载力和变形行为就显得尤为重要。考虑大应变和大变形、应力强化和材料非线性,运用数值仿真软件建立腐蚀缺陷管道的三维实体有限元模型,在全尺寸管道破坏试验验证的基础上,对腐蚀管道在内压、轴向压力和弯矩相互作用下的失效模式和极限弯矩承载力进行了相关研究,并进行了腐蚀缺陷几何参数的敏感性分析。研究结果表明:初始内压和初始轴向压力会显著降低腐蚀管道的极限弯矩承载力,并且影响最终的失效模式;在腐蚀缺陷几何尺寸参数中,腐蚀宽度比腐蚀深度和腐蚀长度的影响更大。     

加筋板的轴压强度受加筋随机点蚀的影响研究

船舶与海洋结构在服役期间会遭受电化学和微生物侵蚀等多种腐蚀环境影响,加筋板作为此类结构的主要受力构件,其表面易产生不规则形态的点蚀,引起构件的强度退化。利用ANSYS有限元软件构建加筋腹板遭受随机点蚀损伤的加筋板有限元模型,研究带板长宽比、带板长细比、加筋长细比和腐蚀体积损失率对加筋板极限强度的影响。研究结果表明,加筋遭受同等腐蚀体积损失率下,带板长宽比变化对极限强度退化的影响很小,但带板长细比和加筋长细比变化产生的影响明显;带板长细比越大,极限强度退化越严重,而加筋长细比越大,极限强度退化反而越小。针对文中研究的加筋板,当加筋长细比为 0.2时,腐蚀体积率为14%的随机点蚀导致结构极限强度退化程度达到约14.0%。因此,加筋的随机点蚀损伤会显著削弱加筋板结构的极限强度,其影响不可忽略。     

火灾作用下海洋平台结构响应分析

结合BZ28-1南井口平台导管架,建立了海洋平台结构有限元计算模型。采用弹塑性分析方法,并应用温度升高时钢材的非线性应力/应变关系,采用火灾的标准温度-时间曲线建立平台结构温度随时间的变化模型,基于能量守恒原理建立热传导微分方程,计算热传导和对流对结构温度的影响,分析得到受火区域构件的温度场。依据钢材性能随温度升高的变化,分析火灾荷载下平台结构的响应。火灾发生时,平台结构中的构件在火温的作用下,温度逐渐升高,虽然作用在结构上的荷载不变,但由于钢材的弹性模量和屈服强度都急剧下降,使平台结构的承载能力下降;当温度上升到600℃以上时,平台结构就形成足够数目的塑性铰,使结构达到极限破坏状态。通过计算分析表明,当火灾作用6 min后,着火房间构件发生严重屈曲,但平台结构整体性能保持良好;当火灾作用22 min后,受火区域构件都发生了较大的变形,引起平台结构的毁损和倾覆。     

电连接模拟法十年腐蚀试验研究

在开发海洋所需要的设施中，例如海上采油平台，海上输油码头，海底管线，海上观察测量仪器，海上运输船舶等大都使用钢材来制造。但是由于海水是一种强电介质溶液，使得钢材在海洋环境中遭受着严重腐蚀，这直接影响着海上设施的使用寿命。为了研究钢铁本身的耐腐蚀性能，腐蚀试验方法越来越被腐蚀工作者所重视。即用什么样的腐蚀试验方法来比较、评定所研制钢种的耐腐蚀性能是一项重要工作。室内的电化学测试及加速腐蚀试验等方法为海洋用钢的研制起到了积极作用，它可以较快地对钢铁的耐腐蚀性能进行相对评定［１６，２０，２１］，但有些…     

几种腐蚀性因子对海底土腐蚀性影响的初步研究

在室内可模拟海底土腐蚀环境的电解池中研究了温度和电阻率对钢材在海土中腐蚀电极过程的影响以及温度、电阻率和硫酸盐还原菌对钢材在海土中腐蚀的影响.结果表明,温度升高、电阻率降低都能使钢在海土中的阴、阳极过程变得易于进行;而温度升高、电阻率降低、硫酸盐还原菌含量增加,将不同程度地加快钢材在海土中的腐蚀.     

热浸镀锌-5%铝钢材在海水中的氢脆敏感性

热浸镀锌-5％铝镀层钢材在海洋环境中使用时可能存在氢脆问题。采用慢应变速率拉伸实验法,结合扫描电镜分析,研究了锌-5％铝镀层钢材在海水中的氢脆敏感性。发现锌-5％铝镀层对钢材基体进行阴极保护引起的氢渗透,可显著降低钢材的断后延伸率和能量密度,使钢材的断裂方式由韧性向准解理转变,提高了其在海水中的氢脆敏感性。     

EH36钢在黄海的初期腐蚀速率的空间变异特征的地统计分析

以黄海海域为研究区,通过动电位极化曲线法获取了出海实测的EH36钢材在2017年8月及12月黄海43个站位的初期腐蚀速率的数据,并以地统计学方法对数据进行分析,探索研究区内EH36钢材的腐蚀速率的空间分布及其变异特征,绘制初期腐蚀速率预测图。结果表明:初期腐蚀速率的分布状况在夏季、冬季呈现不同的特征,夏季分布呈现近岸低、远岸高,中心高、周围低的特点,冬季分布呈现中心及东南部分低、周围高的特征。同时,统计分析表明, EH36钢在黄海的平均初期腐蚀速率,夏季为0.11 mm/a,冬季为0.25 mm/a,并且在夏季和冬季里, EH36钢在黄海初期腐蚀速率分布的空间变异特征明显,空间自相关性强,其中8月的块金值/基台值为0.062,12月的块金值/基台值为0.138,变程在100 km左右。     

腐蚀影响下半潜平台浮体时变极限强度

主要探讨了半潜钻井平台浮体结构由于受到海洋环境腐蚀作用后的时变极限强度问题。首先,总结各种关于腐蚀损伤的平均厚度缩减模型,选择较能反映实际腐蚀过程的数学模型来估量浮体的钢板厚度缩减。在此基础上进行一系列极限强度计算,根据计算结果给出浮体极限强度预报公式。最后研究不同纵向构件板厚折减对极限强度的影响,发现浮体角隅板的单位体积影响率最高,而占结构比例大的构件厚度折减也将使得强度大大削弱,这两类纵向构件需要予以重点腐蚀保护。     

含有腐蚀缺陷海底管道极限载荷分析

利用有限元弹塑性分析方法,对含有腐蚀缺陷的海底管道进行材料非线性和几何非线性分析,探讨了确定管道极限载荷的准则。在此基础上,给出含有腐蚀缺陷的海底管道的极限载荷,研究腐蚀长度、深度和宽度对海底管道极限载荷的影响,提出了含有腐蚀缺陷的受内压的海底管道的极限载荷计算公式,并与试验结果进行了比较,证明该方法是有效的。     

循环载荷作用下损伤船体梁极限强度研究

为了研究循环载荷作用下扶强材初始损伤对其极限强度的影响,进行了14组扶强材的循环加载试验和分析。构造了考虑材料累积损伤完整、断筋和大变形的扶强材单元极限承载力计算公式,提出了相应循环载荷作用下损伤扶强材单元的端缩曲线表达式和船体梁极限强度计算的简化逐步破坏法。编制了循环载荷作用下船体梁损伤极限强度计算程序,进行了船体梁极限强度计算,并与有限元结果进行对比。研究结果表明：改进的损伤扶强材模型可较为准确地描述扶强材材料损伤的完整、断筋和大变形的极限承载力退化情况,扶强材腹板断裂的损伤相较初始大变形及材料累积损伤形式承载力下降程度更明显;所提出的循环载荷作用下损伤船体梁极限强度计算的简化逐步迭代方法,能定量地计算扶强材在不同类型损伤下的极限承载力退化程度,具有较高精度,方便易行,可应用于工程设计。     

圆钢管截面极限强度受随机分布点蚀的影响研究

提出一种随机分布点蚀损伤的模拟方法,模拟点蚀在构件表面的随机生长过程,并建立了随机态点蚀损伤圆管截面的有限元分析模型;设计了三个受不同腐蚀深度点蚀损伤的圆管构件,并开展轴压试验,利用试验结果校验有限元模型的计算精度;在多种腐蚀情形下(点蚀强度和腐蚀深度变化),研究点蚀分布模式变化引起的极限强度退化及其变异性;比较随机分布点蚀模型与传统腐蚀模型(规则分布点蚀和均匀腐蚀)在计算强度和结构失效行为方面的差异。研究结果表明,点蚀的随机分布模式会引起显著的极限强度变异,且蚀坑深度越大,强度变异越大,蚀坑分布造成的强度极差与强度均值相比达到5%;随机分布点蚀相比于传统腐蚀模型,除了引起更为严重的强度削减,还会改变结构的破坏模式。提出的随机点蚀损伤的模拟方法,可替代昂贵的构件试验,应用于评估点蚀损伤圆管截面的极限强度,增强评估结果的可靠性。     

局部随机点蚀下圆管截面极限强度退化规律

针对构件外表面局部区域遭受随机点蚀损伤的圆管截面,考虑点蚀随机特性的影响,建立包含点蚀坑细节的精细有限元模型;在多种腐蚀强度下,研究局部腐蚀的点蚀区分布位置(沿轴向和周向分布位置变化)及其形状(点蚀区长度和宽度独立或联合变化)影响轴压极限强度退化的规律;并比较局部随机点蚀与局部均匀腐蚀引起构件极限强度退化的差异。研究结果表明,尽管局部随机点蚀与最大初始几何缺陷的耦合作用会使极限强度的退化趋于严重,但是总体而言点蚀区分布位置变化对圆管极限强度的退化没有显著的影响。此外,同等腐蚀体积和腐蚀面积下,相比于长窄式局部腐蚀,短宽式局部腐蚀会引起更严重的极限强度退化,在严重腐蚀情形下后者导致的强度退化会高出25.5%;相比于局部均匀腐蚀,局部随机点蚀会导致更剧烈的极限强度退化,其不利影响可高出20.7%。     

轴压作用下双金属复合管组合作用与承载力分析

为探究轴压作用下双金属复合海底管道的组合作用与承载性能,对双金属复合海底管道进行了试验研究和理论分析。开展了不锈钢衬管材料性能试验,对比了国际主流不锈钢本构关系模型和试验结果。利用ABAQUS建立了精细化的双金属复合管道轴压试验有限元模型,系统研究了关键参数如复合工艺产生的环向复合应力、钢管初始缺陷幅值等对双金属复合管在轴压作用下力学性能的影响规律。通过对比已有轴压双金属复合管道试验结果,验证有限元模型。基于验证的有限元模型,对轴压作用下双金属复合管道的组合作用以及径厚比和材料强度对承载力的影响进行了分析。结果表明双金属复合管道的轴压极限承载力主要取决于基管的截面屈服荷载,并随着管径和材料强度的提高而增大。并依据分析结果对双金属复合海底管道的设计提出建议。     

模拟海洋大气腐蚀试验方法的研究

本文以不同浓度的天然海水、人造海水和氯化钠溶液对五种钢材进行了试验,结果表明,采用天然海水喷雾模拟性和试验重现性为最佳,腐蚀形态与海洋环境腐蚀结果基本一致·     

Ni-Cr系与Mn系低合金钢耐点蚀性能的比较

通过极化试验与模拟闭塞腐蚀电池试验对常用的两类低合金船体结构钢耐蚀性能做了比较，并结合实船使用情况对两类钢的耐蚀性能做了较全面的评价。结果表明，Ni-Cr系钢的点蚀诱发敏感性低于Mn系钢；在模拟长期挂片时Ni-Cr钢的点蚀扩展速率反比№钢大，而实船使用情况是Ni-Cr系钢的耐蚀性能远比Mn系钢好。     

应力应变电测技术在水下耐压壳体中的应用

对复杂壳体结构件进行批产前的首件应力检测、状态评估,尽早摸清壳体水压试验中关键部位的应力应变情况,对试验数据进行相关处理后,得到该产品相应工作状态下的关键部位应力值,进而达到对结构件的强度分析和设计仿真数据积累的目的。根据设计要求对壳体 15 个位置进行应力应变测试,通过计算找到应力值最大的位置点。通过本次测试研究发现,测试结果均小于相应材料的屈服强度,壳体结构设计满足水下耐压条件。     

海洋结构钢耐蚀试验电连接模拟法与外海长尺法对应性再研究

作者之一曾介绍过用于海洋结构钢耐腐蚀性能研究的电连接模拟海洋环境腐蚀试验法。通过与广西北海市沿海和山东青岛市沿海的实际长尺试验结果的对比，表明这种方法能较好地反映不同海洋环境——大气区、浪溅区、潮间区和全浸区——的腐蚀特征。使用这种方法对多种低合金钢进行了试验，其结果不仅与外海长尺试验法有类似的海洋环境－腐蚀曲线，而且不同钢种耐蚀性的排列顺序彼此也相一致。为了进一步考查这一模拟方法在腐蚀过程和腐蚀机制上是否符合实际海洋情况，本文从腐蚀产物和腐蚀破坏类型的角度，通过对镍铜磷钢试样在两种方法下470天后的表面锈层形貌和除去腐蚀产物后基体金属表面状态的观察、比较以及不同海洋环境锈层相结构的分析比较，进一步揭示电连接模拟法与外海长尺法的对应关系，证实了它们之阁有比较好的相关性。     

海洋结构钢腐蚀试验方法的研究

海洋构筑物所使用的钢材，由于所处的环境不同，如海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区、海底泥土区等，它的腐蚀情况也不相同。为了实际地评定和比较不同钢种在各种环境中的耐腐蚀性，一般需要进行外海的长尺挂样试验。最初进行这方面工作的是Larrabee。近年来，我国也对几种低合金钢在不同海区进行了长尺试验，并取得了定量数据。 外海的长尺挂样需要把试样做得足够长，工作量大，不便于维护和随时观察，周期较短时误差较大，所以，一般都希望在室内建立简易的模拟方法进行腐蚀试验。而目前所采用的一些室内腐蚀试验方法通常只能模拟外海的某一个腐蚀环境，很难同时再现外海所实际存在的各种复杂条件，并且有些方法与外海的对应性较差。 日本久保田広行在专利中曾提出利用模拟海水涨落的试验槽来进行一些腐蚀试验，但没有介绍具体的试验方法和试验结果。也没有提及采用电连接的方法来进行长尺试验。 本报告介绍了在我所建立的，可同时模拟外海实际存在的各种腐蚀环境的试验装置，叙述了在这种装置中长尺挂样、分别挂样以及电连接挂样的具体试验方法，并与外海的长尺试验结果进行了对照。作者认为，在本装置中采用将小试片用导线连接起来的电连接方法代替长钢带进行长尺试验，便于电化学参数测量，在较短时间内可以精确求得试验结果，是筛选海洋结构钢的一种较好的腐蚀试验方法。     

基于压磁效应的锈蚀钢筋应力状态检测试验研究

钢筋锈蚀是严重威胁结构安全的耐久性问题,基于压磁效应,研究均匀锈蚀和坑蚀两种锈蚀钢筋的应力状态与压磁场变化的关系。首先,采用通电加速锈蚀方法进行钢筋均匀锈蚀和点蚀试验;然后,通过轴向拉伸静载试验和疲劳加载试验,分析锈蚀钢筋的压磁信号特征。试验结果显示,磁感强度与钢筋应力状态之间具有较好的对应关系,屈服阶段不同锈蚀率下的钢筋磁感强度曲线有较明显区别,疲劳荷载作用下锈蚀钢筋的法向残余磁感强度和磁滞回环面积均呈现疲劳三阶段变化规律,可进一步运用于钢筋应力状态的检测中。