深水半潜式平台结构关键节点疲劳破坏机理试验研究

深水半潜式平台结构在深海环境荷载及作业动荷载的作用下容易产生疲劳损伤累积,加速疲劳裂纹扩展,导致结构发生疲劳破坏。对深水半潜式平台横撑部位的两类关键节点进行了疲劳试验研究,分析了关键节点的疲劳破坏现象、疲劳破坏过程以及疲劳裂纹扩展规律。试验结果表明:应用规范给出的裂纹扩展模型和参数估算关键节点的疲劳寿命低于试验所得的疲劳寿命,说明应用规范给出的裂纹扩展模型和参数估算节点的疲劳寿命比较安全;根据疲劳试验结果建立的关键节点的S-N曲线参数与DNV规范给出的较为吻合;关键节点焊趾处的ε-N关系曲线可以反映出关键节点疲劳破坏的三个阶段破坏规律。研究结果为有效地预测平台结构关键节点的疲劳损伤程度,及时进行维修加固延长结构的使用寿命提供参考。     

焊接节点低温疲劳试验与低温主S-N曲线的构建

为了拓展主S-N曲线法,使之更好地适用于低温、极地环境下船舶与海洋工程结构物的疲劳评估,进行了EH36材料T型焊接接头的低温疲劳性能试验,收集了国内外多个焊接节点低温疲劳数据,建立了疲劳试验试件的有限元模型,运用等效结构应力法,计算焊接节点的等效结构应力,构建低温环境下焊接节点的主S-N曲线。使用该曲线,预测低温疲劳试验的寿命,并与疲劳试验结果、常温主S-N曲线、常温中值D曲线的预测结果进行了比较,结果表明,所提低温主S-N曲线预测方法具有较高精度,可用于低温环境下船舶与海洋结构物疲劳寿命的预测。     

随机载荷作用下平台结构疲劳寿命预测

海洋等工程结构物在服役过程中的受载历程是一个随机过程。研究裂纹在谱载荷作用下的扩展规律对可靠预报平台等结构物的疲劳寿命具有十分重要的意义。提出了一个由应力比和裂纹尖端约束及塑性区尺寸为主要参数计算裂纹张开比,来考查载荷相互作用下疲劳裂纹扩展寿命的计算模型。用该模型对几种谱载荷作用下疲劳实验结果进行了预测,将预测结果与不考虑裂纹闭合的线性损伤模型及疲劳计算程序FASTRAN的预测结果进行了比较,表明本模型能较好地预测谱载荷作用下的疲劳裂纹扩展。     

老龄半潜式钻井平台节点疲劳裂纹扩展寿命预报

通过结合常规谱疲劳分析方法和裂纹扩展分析方法,给出了一种工程实用的评价老龄平台节点裂纹扩展寿命的方法,并以某一平台为例进行了验证计算。首先,基于谱疲劳分析得到各个节点在过去30年的节点疲劳损伤,然后,对损伤接近或大于1.0的节点进行基于单一曲线模型的裂纹扩展分析,以求得该节点在目前状态下裂纹扩展寿命。结果表明,目标平台计算疲劳热点满足继续使用的要求。此外,针对不同初始裂纹尺寸时的裂纹扩展寿命计算结果表明初始裂纹尺寸对疲劳裂纹扩展寿命影响很大。     

浮式生产储油船船体疲劳计算

船体结构的疲劳问题一直是船舶设计者十分关注的问题，特别是高强度钢在船体结构中的广泛使用，使船体结构的疲劳破坏问题更加突出。本文以一大型浮式生产储油船（Floating Production and Storage and Offilading)为例，系统地介绍了一种基于S－N曲线和Miner线性疲劳累积损伤原理，计算船体在局部结构应力热点处的疲劳寿命。该方法考察了船舶运营期内的实际工况和海况条件，船体局部应力热点的焊接情况，几何形状，受载形式以及尺寸效应等因素。计算中借助了DNV船级社的SESAM程序系统的部分模块。     

随机变幅载荷下焊接接头的海水腐蚀疲劳研究

海上平台经受的波浪力作用是随机变幅循环载荷,本工作采用板状焊接接头模拟管节点热点焊趾处的受力状态,并模拟实际海洋环境与加载条件,海水温度为20℃循环流动,阴极保护电位为-850mV.(SCF),加载频率为0.2Hz,应力比为-1,进行随机变幅载荷下的海水腐蚀疲劳试验,试验结果与常幅载荷下的腐蚀疲劳寿命作了比较。本文利用线性累积损伤Miner法则,以随机变幅加载下的腐蚀疲劳寿命进行了估算,结果表明,估算的寿命与试验数据很接近,效果令人满意。     

平台钢焊接接头在海洋中的腐蚀疲劳研究

随着近海石油开采事业的迅猛发展,我国已自行设计和建造了许多固定式导管架钢结构海上平台,它们在海洋环境中承受着波浪引起的交变载荷作用,与惰性环境中承受交变载荷条件下得到的疲劳结果相比,交变载荷与侵蚀性环境的联合作用往往导致疲劳性能显著下降。这种损伤可能是疲劳开裂和腐蚀性破坏的简单叠加,也可能是这两者之间某些更为复杂的协同交互作用的结果(贾斯克,1989)。钢结构海上平台是由钢构件(如钢管、钢板、角钢等)焊接而成,海水腐蚀疲劳裂缝大都产生于焊缝区的焊趾处,该部位存在焊接残余应力,以及焊接缺陷和儿何缺陷,形成应力集中。本文通过对海上平台用钢板在空气中、海水中和海水中有阴极保护三种条件下腐蚀疲劳性能的研究,探讨了钢材在海上平台不同部位、不同保护状况下的腐蚀疲劳寿命,为海上采油平台设计与选择提供了理论依据。     

深水半潜式钻井平台简化疲劳分析

研究适用于中国南海的深水半潜式钻井平台结构简化疲劳分析方法。依据中国南海环境条件,计算平台结构应力响应,得到平台结构应力范围长期Weibull分布形状参数。通过结构波浪应力的长期预报,计算得到平台寿命期一遇波浪载荷,依据寿命期一遇波浪载荷计算平台结构寿命期一遇最大热点应力范围。采用简化疲劳分析方法计算平台结构疲劳寿命,用谱疲劳分析方法验证简化疲劳分析结果的准确性,证实了简化疲劳分析方法相对保守,可应用于平台的设计。     

高强度钢54SiCrV6超高周疲劳研究

介绍了用2万Hz超声波振动疲劳试验机对高强度钢54SiCrV6的超高周（10亿周）疲劳强度研究，结果发现，该种材料的高周直到超高周区间，疲劳强度随材料寿命的加大呈明显减小，即S－N曲线呈明显下降，这一结果与传统的假说完全不同。传统的假说认为该区间的疲劳强度为水平渐近线或为一定值，本文建议该种材料的高周及超高周区间疲劳强度用延长线代替水平渐近线，并给出实际结果与传统假说间差别，借助于电子显微镜对试件微观组织的观察及对引起疲劳破坏起始处进行化学分析，发现这种材料的寿命在10^7周附近疲劳机理出现突变，即小于10^7周的试件的初始疲劳裂纹在表面，达到10^7周附近的 件的初始疲劳裂纹在内部，并发现试件的断裂有些是由于其中心有钙化物等杂质，另一些则是由于材料内部空洞引起。     

焊接钢接头的海水腐蚀疲劳试验研究

本工作进行了板状焊接钢接头在空气中的常幅疲劳试验;和在海水中的常幅腐蚀疲劳试验(加载频率为0.2Hz,应力比 R=-1,海水温度～20℃,阴极保护负电位～850mV,SCE)。将两者试验结果比较,初步表明,钢接头海水腐蚀疲劳的平均寿命约为空气中的1/2到1/3。本工作还进行了焊缝经过 TIG 熔修的试件的试验,初步结果表明,TIG 熔修处理明显地增加了焊接接头的海水腐蚀疲劳(有阴极保护)寿命.     

TLP平台NODE结构确定性疲劳与疲劳可靠性对比分析

TLP平台的疲劳计算在工程中常采用确定性疲劳计算方法,但是影响结构疲劳的大多数因素都是随机的,确定性的方法很难对这些因素做出客观的描述。因此,本文基于谱疲劳方法,分别采用确定性疲劳和疲劳可靠性对TLP平台NODE结构进行疲劳筛选计算,并对计算结果进行对比分析。结果显示NODE结构局部区域不满足疲劳强度要求,相比于疲劳可靠性,确定性疲劳方法更加保守。     

极端海洋环境对海洋平台疲劳寿命的影响

基于渤海和南海的海洋平台设计环境条件,分析了近年来我国近海极端海洋环境条件的发生规律及其对海洋平台疲劳设计条件的冲击。采用Miner’s线性累积疲劳损伤准则和疲劳可靠性理论,研究了极端海况引起的疲劳损伤对海洋平台疲劳寿命的影响,提出了考虑极端海洋环境条件的海洋平台疲劳设计方法。研究表明,由于近年来全球气候变换带来的极端气象条件频发,导致海洋工程结构经历传统意义上的多年一遇海洋环境条件的概率大大增加,使得现行的海洋平台疲劳设计条件偏离了实际的海洋环境条件。数值算例表明,极端海况引起的疲劳损伤在总的疲劳损伤的比例大大增加,甚至成为疲劳损伤的主要部分。因此,这些极端海况引起的疲劳损伤对结构疲劳寿命的影响不容忽略,考虑极端海洋环境条件的海洋平台疲劳设计符合近年来的灾害性海况频发的现状。     

锈蚀钢筋在疲劳荷载作用下压磁场分布研究

针对锈蚀钢筋的疲劳损伤与寿命评估中的难度大、精度低等问题,引入压磁检测技术,对锈蚀钢筋疲劳过程中的压磁场分布进行检测,从宏观与微观相结合的角度分析压磁场分布与疲劳损伤之间的联系。试验结果表明,锈蚀钢筋的压磁场分布能够反映疲劳损伤的演变规律,疲劳后期非线性特征加剧,锈蚀率及应力幅越大则变化越为明显,磁感强度值、磁场分布梯度、"反转"现象等均有助于进行疲劳损伤评价与寿命预测。研究结果可为压磁无损检测技术在钢筋混凝土结构中的应用提供依据。     

Fatigue Test of Homemade Z Direction Steel Welded T Tubular Joints

This paper introduces the process and result of fatigue test of steel (Z direction steel) welded T tubular joints used in offshore engineering. Detailed measurement of stress concentration factor, stress distribution, fatigue life and crack development has been performed. Through analysis, an empirical formula of stress concentration factor for T tubular joints, fatigue S-N curve and crack propagation rule are obtained.     

基于可靠性的海洋立管疲劳安全系数研究

综合考虑了立管疲劳安全系数取值的相关因素——立管的安全等级、设计寿命、检验周期、载荷和损伤计算方法等的不确定性,提出了基于可靠度的疲劳安全系数确定方法,筛选了用于计算波致疲劳和VIV(涡激振动)疲劳的随机变量,给出了立管波致疲劳与VIV疲劳安全系数的计算流程,并以某SCR(钢悬链线立管)为例进行了安全系数计算。结果表明,该方法的计算结果优于传统的安全系数确定方法,尤其适合于特殊工程方案或新颖设计的立管疲劳校核。     

基于并行计算的海洋平台谱分析疲劳筛选技术研究

为了得到海洋平台疲劳失效风险最大的焊接区域,提出了以有限元网格单元应力为基础的谱分析筛选方法,并开发了程序。程序采用并行计算架构,单次完成数万个单元的累积损伤度/疲劳寿命计算,并通过有限元软件以云图方式显示疲劳寿命。采用该程序计算双浮筒半潜式平台的疲劳寿命。结果表明,该型平台疲劳失效风险较高的区域为立柱与上壳体下浮体连接对角线转角区域、浮筒中纵舱壁与立柱连接区域。并行计算方法的引入,大大缩减疲劳损伤度计算的分析时间,采用22核心的CPU,时间缩短为原来的1/18.5,17小时完成全平台外壳单元谱分析计算。     

深海顶张紧式立管涡激振动疲劳可靠性研究

以深海顶端张紧式立管为研究对象,基于圆柱体受迫振荡实验数据和能量平衡原理预报立管涡激振动响应及其诱发的疲劳损伤度,各主要参数随机化,应用响应面法建立了涡激振动疲劳安全系数与极限状态方程关系,研究了疲劳安全系数对结构可靠性的影响,并分析了各随机变量的灵敏度。研究结果表明:1)随着疲劳安全系数的增大,结构失效概率逐渐减小,且失效概率的减小幅度随疲劳安全系数的增加而趋缓。疲劳安全系数SF无需超过20。2)增加疲劳安全系数SF可降低疲劳载荷不确定量B、S-N曲线参数A、顶张力、流速、外径和壁厚等立管及环境随机变量对结构涡激振动疲劳损伤可靠性的影响。3)立管各参数中,流速、外径和壁厚均值越大,立管结构安全度越低,顶张力对结构影响相反;各参数的标准差越大,结构可靠度越低。均值灵敏度由大到小依次为顶张力、流速、外径和壁厚,标准差灵敏度由大到小依次为流速、张力、外径和壁厚。4)壁厚对深海顶张紧式立管涡激振动所致疲劳损伤影响很小,可忽略其影响。研究成果可为深海顶张紧式立管涡激振动疲劳安全系数的选取提供参考。     

基于EIFS和P-M的海底管道腐蚀疲劳寿命预测

鉴于腐蚀疲劳损伤的特殊性,研究了点蚀过程和腐蚀疲劳裂纹扩展过程。基于等效初始缺陷尺寸(EIFS)和线性累积损伤理论(P-M)方法,消除了点蚀形核、蚀坑生长及腐蚀疲劳短裂纹扩展对腐蚀疲劳寿命预测的影响;避免了基于单点蚀坑建立的腐蚀疲劳寿命预测表达式的弊端;合理地简化了随机荷载下腐蚀疲劳寿命的预测流程。利用现有试验数据,对基于EIFS和P-M方法建立的腐蚀疲劳寿命预测表达式进行了模型验证。结果显示,所提模型的有效性和合理性得到了验证,为工程实际中海底管道的腐蚀疲劳寿命预测提供了一种可行方法。     

深水半潜式钻井平台节点疲劳寿命谱分析研究

以某新型深水半潜式钻井平台为目标平台,归纳基于全概率谱分析法的结构节点疲劳寿命直接计算的基本步骤,建立以SESAM软件包为依托的分析流程,并就板厚修正等几个细节问题的处理进行说明.对平台八个关键节点的疲劳寿命评估结果表明平台的疲劳强度能够满足设计寿命要求,同时证明所提出的疲劳分析流程是可行的.