深水立管环缝裂纹扩展和疲劳寿命仿真研究
基于裂纹扩展的深水半潜式平台疲劳寿命分析
第 ｌ ７卷 第 １ １ 期
２ ０ １ ３年 １ １月
文章 编 号 ：１ ０ ０ ７ — ７ ２ ９ ４ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ — １ ３ １ ８ — １ ０
船舶 力学
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ｉ ｐ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ
Ｖ０ １ ． １ ７ Ｎｏ ． １１ ＮＯ Ｖ ．２ ０１ ３
ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｋ ｅ ｙ ｐ ａ ｒ ｔ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｎ ， ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｋ ｅ ｙ ｐ ａ ｒ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｔ ｏ ｇ ａ ｉ ｎ
基 于裂纹扩展 的深水半潜式平 台疲劳寿命分析
崔 磊 ，何 浙 江 大 学 宁 波理 工 学 院 ， 浙 江 宁波 ３ １ ５ １ ０ ０ ； ２ ． 浙江 大 学 结 构 工程 研 究 所 ， 杭州 ３ １ ０ ０ ５ ８ ）
摘 要 ：文 章研 究 了深 水 半潜 式 平 台 结 构疲 劳 裂 纹 扩 展 寿 命 ， 首 先 对 疲 劳 裂 纹 扩 展模 型 和 平 台结 构 疲 劳 寿 命 计算 方 法进 行 了 分析 ， 通 过 对 不 同 工况 下 深 水 半 潜 式 平 台结 构 的强 度 分 析 和 整体 疲 劳 寿命 的估 算 ， 确 定 平 台疲 劳 关 键 部 位 。然 后 对 疲劳 关 键 部 位 进 行 ¨ ｒ 应力响应分析 ， 得 到 等效 臆 力 幅 值 ， 采 用 了 考虑 门槛 值 、 应力 比等 因素 影 响 的疲 劳 裂 纹 扩 展 率单 一 曲线 模 型 ， 计 算 了各 疲 劳 关 键 部 位 的疲 劳 寿 命 。 结果表明 ： 不 同 工 况下 关 键 部 位 的疲 劳 裂 纹 扩展 寿命 可 以 满足 设计 要 求 ， 基 于 裂 纹扩 展 的疲 劳 分 析 方法 叮Ｈ ｛ 于 深 水 半潜 式 平 台结 构 的疲 劳 寿 命 分析 。 关键 词 ： 半潜式平 台； 疲劳寿命 ； 裂 纹扩 展 ；有 限元 分 析
复杂环境下长输管道焊接接头裂纹扩展模拟研究
复杂环境下长输管道焊接接头裂纹扩展模拟研究个人身份证号*******************摘要：近年来，社会进步迅速，我国的现代化建设的发展也有了改善。
内衬不锈钢复合管是一种复合管材，近几年在长输管道领域得到了广泛应用，因其具备良好的力学性能、耐热性和耐蚀性，可以避免输送过程中管道出现腐蚀。
在服役过程中，长输管道会受到多方面的交变荷载作用，长输管道交变荷载可分为管道外部荷载和管道内部荷载2种，其中外部荷载主要包括地震荷载、风荷载、雪荷载、冰荷载、沉降荷载、土压力等，这些荷载通常是由管道周围的自然环境和地质条件引起;管道内部荷载则主要是由管道内流体的作用而产生的，如内压力、内真空、内流动等。
管道应力集中部位在交变应力的作用下会出现局部塑性变形，在多次循环扰动作用下，管道焊接接头部位会产生微裂纹，随着时间的延长，裂纹会不断扩展，进而导致长输管道遭到破坏，管道安全风险上升。
文中通过模拟管道焊接接头裂纹扩展的过程，可以判断管道焊接裂纹实际情况，提高长输管道在服役期间的安全性。
关键词：复杂环境；长输管道焊接接头裂纹；扩展模拟研究引言随着经济的快速增长，对于能源的需求也日益加大，作为当今社会三大能源运输方式之一，管道运输更为经济化、效率化，所以，对于长输管道的施工建造也如雨后春笋般在各地生根。
在施工中，技术水平不断提高、施工工艺趋于成熟，对安装质量要求也越加提高。
本文从监督角度，按照管材进场、管道焊接、补口补伤、埋深、测径等易出现质量问题或质量隐患的工序的剖析，通过案例及危害论述长输管道质量控制。
1管材质量材料的进场标志着长输管道施工的正式开始，作为实体工程的首道工序，管材的质量也是整个长输管道施工质量的决定性因素。
对于该工序的质量控制也体现出各方责任主体质量管理体系是否有效的运行。
（1）做好材料进场接收准备，管材的入库应由各方责任主体代表共同检查，接收时所检查的项目应经各责任单位讨论确认后的成熟方案，其中对管道材质、规格、型号、防腐层厚度、防腐层结构等具体描述及检查方法，使用涂层测厚仪、超声波测厚仪等仪器对材料按比例抽查并做好记录。
海底管道疲劳裂纹扩展寿命预报的影响因素分析
海底管道疲劳裂纹扩展寿命预报的影响因素分析徐媛媛;孙健华;张捷;朱金金【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2024(46)1【摘要】海底管道所处载荷环境复杂,疲劳破坏是主要失效形式之一。
由于制造及环境因素,海底管道不可避免会出现裂纹缺陷,对于服役中的海底管道,预报其剩余疲劳寿命并对影响预报结果的因素进行研究具有实践意义。
在保守估计法的前提下,采用MTS准则对海底管道裂纹扩展模式进行分析。
利用有限元法及1/4节点位移法求解裂纹应力强度因子,随后基于Paris公式的da法对海底管道进行疲劳扩展寿命预报,最后对数值预报结果的影响因素进行探讨。
结果表明,当裂纹尺寸增量Δa 设置合理时,海底管道裂纹扩展寿命的预报值与试验值相接近,该数值方法能有效预报海底管道的疲劳剩余寿命。
裂纹尺寸增量Δa对寿命预报影响很大,从预报精度和计算耗时两方面综合考虑给出了合理选择裂纹尺寸增量Δa的方法。
形状比对管道疲劳扩展寿命的影响与初始裂纹尺寸有关。
当裂纹尺寸扩展到一定值后继续增加,疲劳扩展寿命变化率并不大。
所得结论为服役管道的安全性评估提供参考。
【总页数】5页(P121-125)【作者】徐媛媛;孙健华;张捷;朱金金【作者单位】南通理工学院机械工程学院【正文语种】中文【中图分类】U661.43【相关文献】1.含双裂纹缺陷海底管道疲劳寿命的分析2.基于疲劳寿命预报统一方法小裂纹扩展寿命研究3.压力管道全寿命周期疲劳裂纹扩展分析4.基于谱分析和裂纹扩展方法的舱口角隅疲劳寿命预报方法5.裂纹参数对深水海底管道疲劳寿命的影响因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
海洋工程结构的腐蚀疲劳寿命评估方法研究-概述说明以及解释
海洋工程结构的腐蚀疲劳寿命评估方法研究-概述说明以及解释1.引言引言部分1.1 概述近几十年来，随着海洋工程的快速发展，海洋工程结构的腐蚀疲劳问题已成为影响海洋工程安全可靠运行的重要因素之一。
腐蚀疲劳是指结构在强烈海洋环境中受到腐蚀作用，导致其力学性能逐渐下降，并在实际载荷作用下发展出疲劳裂纹的现象。
由于海洋环境的复杂性和严酷性，腐蚀疲劳问题对海洋工程结构的安全性和可靠性产生了严重威胁，因此对海洋工程结构的腐蚀疲劳寿命进行准确评估具有重要意义。
1.2 文章结构本文分为六个主要部分。
首先是引言部分，介绍了研究的背景、意义以及论文的结构。
其次，文献综述部分对目前关于海洋工程结构腐蚀疲劳寿命评估方法的研究进行了系统总结和分析，包括常用的试验方法、模型及其优缺点。
然后，本文提出了一种基于xxx原理的海洋工程结构腐蚀疲劳寿命评估方法，包括xxx的理论基础、建模方法和计算流程。
接着，我们通过实验验证了该方法的准确性和可靠性，并与现有方法进行了对比。
最后，本文总结了研究成果，讨论了该方法存在的不足和未来的研究方向。
1.3 目的本文的目的是通过对海洋工程结构的腐蚀疲劳寿命评估方法进行研究，提供一种准确、可靠、适用于实际工程应用的评估方法，为海洋工程结构的设计、检测和维护提供科学依据。
通过对现有的腐蚀疲劳评估方法的总结和分析，本文旨在解决目前方法存在的不足之处，并提出一种更加准确可靠的评估方法。
本文的研究成果将有助于提高海洋工程结构的安全性和可靠性，减少事故风险，促进海洋工程的可持续发展。
2.正文2.1 腐蚀疲劳的定义和机理腐蚀疲劳是指海洋工程结构在受到海水腐蚀的同时，还要承受波浪和风力等外界载荷作用下的疲劳破坏。
腐蚀疲劳的发生会对海洋工程结构的安全性能和使用寿命造成严重影响。
因此，对于腐蚀疲劳的评估方法的研究具有重要意义。
腐蚀疲劳的机理主要包括海水腐蚀作用、载荷作用及其交互作用。
首先，海水腐蚀会使得结构材料的强度和韧性下降，破坏其原有的防护层，进一步加速结构的腐蚀速度。
海洋柔性立管疲劳寿命分析与研究
80 海洋柔性立管疲劳寿命分析与研究郝建伶1 武国营1 罗衡21. 中海油安全技术服务有限公司 天津 3004502. 安技服湛江分公司 广东 湛江 524057摘要：本文介绍了海洋柔性管结构特点以及柔性立管基本布置与环空测试；对柔性立管基本参数、基础数据进行了详细的分析；对立管局部进行建模，提出了柔性立管疲劳寿命分析研究的方法，并对其疲劳寿命进行计算，给出了疲劳寿命分析结果和运维建议。
关键词：海洋油气开采 柔性立管 立管建模 整体分析Analysis and research on fatigue life of marine flexible riserHao Jianling1，Wu Guoying1，Luo Heng21. CNOOC Safety Technology Service Co. ， Ltd.，Tianjin 300450Abstract：This paper introduces the structural features of Marine Flexible Riser， the basic layout of the flexible riser and its annulus test， analyzes the basic parameters and basic data of the flexible riser in detail， and models the part of the riser， the method of fatigue life analysis of flexible risers is put forward， and the fatigue life is calculated. The results of Fatigue Life Analysis and the suggestions of operation and maintenance are given.Keywords：Marine Oil and gas extraction；flexible Riser；Riser modeling；Global Analysis1 前言在我国海洋油气田开发中，柔性立管被广泛用于深水、超深水、长距离、多方向的输送油气管道的开发，现在我国海洋柔性立管管道应用率约为85％[1]。
深海立管涡激振动疲劳损伤预报方法研究
内容摘要
实验研究和数值模拟是研究立管涡激振动的重要手段。实验研究能够直观地 获取振动数据，数值模拟能够方便地改变参数并预测结果。本次演示以某实际工 程为背景，通过实验研究和数值模拟技术，探讨了立管涡激振动的基本规律和特 点。
内容摘要
实验研究： 为了深入了解立管涡激振动的规律和特点，本次演示设计了一套实验装置。 实验装置包括：立管模型、压力传感器、振动传感器、数据采集系统和控制系统。 实验过程中，先通过压力传感器测量流体的压力，再通过振动传感器测量立管的 振动加速度。为了获得更准确的数据，实验进行了多次，并采用不同形状和尺寸 的立管模型进行对比分析。
参考内容二
内容摘要
随着海洋工程领域的不断发展，柔性立管在海洋油气资源开发中发挥着越来 越重要的作用。然而，柔性立管在工作过程中会受到多种因素的影响，其中涡激 振动是一个重要的方面。本次演示将介绍柔性立管涡激振动时域响应分析的重要 性和应用场景，并对相关基本知识、方法和步骤、结果与分析进行概述。
内容摘要
内容摘要
在本次演示中，我们将介绍一种针对立管涡激振动数值模拟方法和物理模型 实验的研究。首先，我们将对立管涡激振动的基本概念进行简单的介绍，并阐述 管道流动原理和立管结构设计等相关背景。然后，我们将详细地介绍数值模拟方 法和物理模型实验的流程，包括建立数学模型、设置边界条件、求解计算、实验 设计、数据采集、实验过程等步骤。
内容摘要
数值模拟： 为了进一步探讨立管涡激振动的机制，本次演示采用离散涡法进行数值模拟。 首先建立三维模型，并对模型进行网格划分。接着定义边界条件和初始条件，设 置计算时间和步长。最后通过数值计算得到立管的振动位移和速度等数据。为了 验证数值模拟的准确性，本次演示将数值模拟结果与实验结果进行对比分析。
深水导管架ECA断裂及疲劳评估研究
DOI ：10.3969/j.issn.1001-2206.2023.06.005深水导管架ECA 断裂及疲劳评估研究王鹏，宋昆晟，李朋，刘伟中国石油集团海洋工程（青岛）有限公司，山东青岛266555摘要：与常规导管架相比，深水导管架的节点形式和受力更为复杂。
在进行ECA 分析时，除断裂评估外还需进行疲劳分析，以保证深水导管架节点焊缝的抗断裂性能与疲劳寿命同时满足要求，方能免除焊后热处理。
以陆丰12-3WHP 导管架为例进行了深水导管架断裂及疲劳等ECA 研究。
通过对其在位状态进行评估分析，选取典型的疲劳评估节点和断裂评估节点，进行极限载荷和疲劳载荷谱提取。
参照BS 7910:2019标准，通过断裂力学分析方法，针对给定的初始缺陷尺寸和位置，给出了在疲劳载荷作用下扩展后的最终裂纹尺寸以及临界条件下不同位置的裂纹尺寸，并与无损检测验收准则相比较，确定了免除焊后热处理的可行性，为深水导管架免除焊后热处理提供了新的依据和借鉴。
关键词：深水导管架；焊后热处理；工程临界评估；疲劳；初始缺陷Study on ECA fracture and fatigue assessment of deep-water jacketWANG Peng,SONG Kunsheng,LI Peng,LIU WeiCNPC Offshore Engineering (Qingdao)Co.,Ltd.,Qingdao 266555,ChinaAbstract：Compared with the normal jacket,the joint form and stress of a deep-water jacket are more complicated.Both the fracture assessment and fatigue analysis during engineering critical assessment (ECA)are required to ensure that the fracture resistance and fatigue life of the joint weld of the deep-water jacket can meet the requirements at the same time,so as to eliminate the postweld heat treatment (PWHT).This article takes the LF12-3WHP jacket as an example to carry out an ECA study of the fracture and fatigue of the deep-water jacket.Firstly,the typical fatigue assessment joints and fracture assessment joints are selected to extract the ultimate load and fatigue load spectrum by evaluating and analyzing its in-place status.Then,the final crack size after expansion under the action of fatigue load and the crack size at different positions under critical conditions can be obtained by fracture mechanics analysis based on the given initial defect size and position as per BS 7910:2019Standard.Then,compared with nondestructive testing (NDT)acceptance criteria,the feasibility of eliminating PWHT is confirmed,which provides a new basis and reference for eliminating PWHT for deep-water jackets.Keywords：deep-water jacket;PWHT;ECA;fatigue;initial defect与常规导管架相比，深水导管架具有更为复杂的结构形式，且所处的工作环境更为恶劣，在服役过程中焊缝连接处会存在严重的应力集中，可能会导致节点脆性断裂。
基于裂纹扩展原理的深水半潜平台疲劳寿命分析
基于裂纹扩展原理的深水半潜平台疲劳寿命分析李良碧;朱红娟;李增华;陈明璐;嵇春艳【摘要】A deepwater semi-submersible platform suffers from waves and interacts with various loads in the long term, so the fatigue crack propagation easily occurs at fatigue hot spots, which could lead to failure of the global structure. Therefore, fatigue analysis for the deepwaler semi-submersible platform is very important based on the method of fracture mechanics. Firstly, the strength of the global structure is calculated. According to the result, the connection of the column and the brace is chosen as a key joint. Then a fine FEA model of the key joint is built and the hotspol stress is calculated. Finally an initial crack is defined on the fatigue dangerous node based on ABS rules, and the fatigue life of the key joint is obtained based on fracture mechanics method. The results meet the ABS rules. The key joint suffers from long-term wave load and corrosion by seawater, so routine repair and maintenance is needed.%深水半潜平台长期承受波浪等各种载衙的交互作用,疲劳热点部位极易产生裂纹扩展而导致整体结构失效,因此有必要对半潜平台基于断裂力学方法进行疲劳寿命分析.文中首先对半潜平台进行整体强度分析,然后根据计算结果,选取立柱与横撑连接处为关键节点,并建立关键节点的有限元精细模型以进行疲劳热点应力分析,最后在关键节点危险节点处依据ABS规范定义初始裂纹,根据裂纹扩展原理计算平台关键节点的疲劳寿命.分析结果显示:该平台的疲劳寿命符合规范要求,但因该部位长期受波浪载荷和海水腐蚀作用,所以应当是日常检修和维护的重点.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(027)001【总页数】4页(P1-4)【关键词】深水半潜平台;断裂力学;疲劳寿命【作者】李良碧;朱红娟;李增华;陈明璐;嵇春艳【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】P751深水半潜平台长期服役在恶劣的海洋环境中,受到各种载荷的交互作用(如风载荷、海流、波浪载荷、使用载荷和冰载荷等),并且半潜平台是一种大型焊接结构,制造过程中不可避免存在各种类似裂纹的缺陷,这些裂纹(或缺陷)的产生使得疲劳失效成为海洋石油平台破坏的一种主要形式,它们的出现威胁着平台的安全和继续作业．S-N曲线方法是传统的疲劳强度分析方法,此方法只适用于评估无初始裂纹(或缺陷)结构的疲劳寿命．可靠性分析方法则把不确定因素用随机变量或随机过程来描述,但是在工程实际中,由于缺乏充分的数据统计资料,使得疲劳载荷概率模型的建立存在很大的分散性,阻碍了此方法在工程中的应用．而断裂力学是一门新兴的强度学科,此方法适用于分析含初始裂纹(或缺陷)结构裂纹扩展至失稳状态的疲劳寿命．文献[1]用断裂力学理论研究了时域内固定导管架平台结构的疲劳可靠性；文献[2]对海水环境条件下加筋钢质管节点的疲劳裂纹扩展作了研究；文献[3-4]对半潜式钻井平台典型节点进行了谱疲劳分析；文献[5]对老龄化的自升式平台疲劳可靠性进行了分析；文献[6]对疲劳累积损伤下导管架平台加强管节点的可靠性进行了分析．这些文献对半潜平台疲劳强度的研究大都采用S-N曲线方法和疲劳可靠性方法,而采用断裂力学方法对半潜平台进行疲劳寿命研究的较少．将疲劳分析建立在结构本身存在类裂纹这一客观事实的基础上是保证构件安全的重要途径.因此,文中基于断裂力学方法研究深水半潜平台结构的疲劳寿命．1 断裂力学分析方法断裂力学是研究带裂纹材料的强度和裂纹在材料中扩展规律的学科,提出了按照裂纹扩展经验规律来预测裂纹扩展寿命的新方法．海洋平台由于受加工制造、焊接等多种因素的影响,易造成结构内微小裂纹的产生,随着使用年限的增加,这些微小裂纹又扩展成近似半椭圆形的初始表面裂纹．半椭圆形裂纹可能沿长度和深度2个方向发展,疲劳分析中关注的是沿深度方向即沿结构厚度方向的扩展,可采用Paris公式计算．Paris公式表征了裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子ΔK之间的关系,其中N表示循环次数,a表示裂纹的深度．其关系式如下:=C(ΔK)m(1)式中：C为Paris系数;m为裂纹扩展数决定的指数；ΔK为应力强度因子,其表达式为:(2)式中：Y(a)为几何影响因子;S为名义应力范围．疲劳寿命预测的目的是找到失效时的循环次数与给定寿命的裂纹尺寸之间的关系．真实的缺陷被假设为有尖端的裂纹，循环次数N由初始裂纹尺寸ai扩展到裂纹深度a所决定,其表达式由式(1，2)推导为:(3)式中：a通常取板厚或管壁厚的值.给定循环次数N,可求出初始裂纹扩展到的深度；给定裂纹的临界深度ac时,可求出导致结构失效的载荷循环次数;参数C和m是与实验条件(环境、频率、温度和应力比等)有关的材料常数，文中C取值为1.07 e-11, m取值为2,Y(a)取值为1．其中ai可通过制造阶段的无损检测(NDE)方法得到．在设计阶段,如果没有其它可靠的数据,一般认为当缺陷达到深度方向0.15 mm、长度方向0.5 mm时,就定义为疲劳初始裂纹[7]．2 深水半潜平台疲劳寿命分析2.1 建立平台总体有限元模型文中进行疲劳寿命分析的平台是一双下浮体、四立柱、每两根立柱之间有两根水平横向撑杆的深水半潜式平台．该平台长114 m,宽74.4 m,型深38.6 m,设计作业水深3 000 m．平台总体有限元模型(图1)由板单元、梁单元及质量元组成,包括平台主要结构、舱壁及梁等主要构件．图1 平台的有限元模型Fig.1 Finite element model of platform2.2 平台总体强度分析在半潜式海洋平台受到的各种环境载荷中,只有波浪载荷会产生明显的循环应力,其它载荷产生的应力在疲劳分析中暂不考虑[8]．设目标平台服役海域为中国南海海域,根据长期统计资料,此海域波高0～4 m、周期5～10 s的波浪出现的概率较高,约为89%;波高5～9 m、周期5～10 s的波浪出现的概率较小,约为4.5%;波高10 m以上的波浪出现的概率极小．对平台结构在不同波高和周期下的波浪载荷总体响应进行计算，计算结果显示：在平台立柱与横撑相连处(图1)有较大的局部应力产生．2.3 平台疲劳热点部位选取由平台总体强度分析结果可知, 立柱与横撑连接处是应力较大的区域,而且是平台关键的连接部位,很容易产生疲劳损伤,所以应将其做为关键节点,进行疲劳寿命分析．2.4 建立关键节点有限元精细模型和热点应力计算在不影响关键节点疲劳热点应力计算精度的前提下,从总体有限元模型中提取关键节点进行建模和应力分析．由于建立总体模型时一般会将结构进行简化,如对弱结构(小的纵骨)作为相当厚度计及到板厚中，因此在建立关键节点的有限元模型时,必须建立精细的局部有限元模型进行分析，所以文中对整体建模时简化的纵骨采用梁单元来模拟,并添加省略的小肘板等．对关键节点模型进行了有限元网格重新划分,并将平台整体有限元分析中的位移值做为关键节点局部模型有限元分析的边界条件．因此关键节点局部模型边界处的网格应与整体模型相同部位的网格保持一致,以确保其边界处的节点相一致．图2为平台关键节点的精细有限元模型．图2 关键节点精细有限元模型Fig.2 Fine finite element model of the key joint 在不同工况条件下(即不同波高和不同周期的波浪载荷)对平台进行该关键节点有限元应力计算．图3标注了关键节点6个疲劳热点的大致位置．表1为平台关键节点热点应力部分工况的计算结果,其中波高1.5 m、周期为6 s(工况2)的应力分布如图4．由工况2的应力计算结果可知,关键节点的高应力区位于两侧横撑与立柱连接处的焊接部位,也就是结构不连续部位．图3 关键节点疲劳热点分布Fig.3 Fatigue hot spot distribution of the key joint图4 关键节点工况的应力分布Fig.4 Stress distribution of the key joint for case two由文献[9-10]可知,应用S-N曲线方法对该关键节点进行疲劳分析时,节点4(图3)为疲劳寿命最短的部位,并且疲劳热点部位极易产生裂纹扩展,因此,在运用断裂力学方法对该关键节点进行疲劳寿命分析时,取节点4的热点应力分析结果进行疲劳裂纹扩展分析是合理的．表1 关键节点热点应力结果Table 1 Hot spot stress of the key joint Pa工况节点123456 1(波高0.5 m,周期5s)1.13E+071.19E+071.19E+071.17E+071.37E+071.21E+07 2(波高1.5 m,周期6 s)2.26E+072.39E+072.39E+072.04E+071.91E+072.11E+07 3(波高2.5 m,周期7 s)1.57E+071.57E+071.43E+072.89E+072.93E+072.48E+07︙︙︙︙︙︙︙2.5 基于断裂力学的疲劳寿命分析文中在关键节点的危险点4号节点处(图3)定义一表面初始裂纹,裂纹长度为0.5 mm,裂纹深度h为0.15 mm．以裂纹所在区域壳板厚度为临界尺寸[7],当平台关键节点表面裂纹的深度扩展到壳板厚度25.5 mm,即贯穿时,认为平台关键节点已遭到疲劳损坏．根据式(3),编制基于裂纹扩展原理的疲劳寿命计算程序,得到随服役年限(每5年计算1次)增加的裂纹扩展情况和疲劳寿命(表2，图5).表2 随服役年限的裂纹扩展Table 2 Crack propagation with different service years服役N/a裂纹深度a/mm服役N/a裂纹深度a/mm50.3065255.3407100.62623010.9118 151.27943522.2945202.61394045.5511图5 初始裂纹随服役年限增加的深度变化Fig.5 Depth change of the initial crack with the increase of service life由于板厚为25.5 mm,从表2可看出,当平台服役年限为35 a时,平台才接近损坏．因此,依据ABS设计规范,该平台满足平台服役年限为20 a的使用要求．3 结论1) 立柱与横撑连接处作为半潜式平台重要连接部位,位于波浪载荷的传递路径上,承受较大的交变载荷,是易发生疲劳破坏的部位;2) 由基于裂纹扩展原理计算的深水半潜平台关键节点的疲劳寿命为35 a,因此,依据ABS设计规范,该平台满足平台服役年限为20 a的使用要求;3) 半潜平台立柱与横撑连接处长期受到波浪载荷和海水的腐蚀作用,所以应当是日常检修和维护的重点部位．参考文献(References)[1] Madhavan P T M， Prasad A M.Fatigue reliability analysis in time domain for inspection strategy of fixed offshore structures [J].Ocean Engineering, 2000,27(2):167-186.[2] Gandhi P, Ramachandra M D S, Raghava G, et al.Fatigue crack growth in stiffened steel tubular joints in seawater environment[J].Engineering Structures, 2000,22(10):1390-1401.[3] 谢文会,谢彬,王世圣.深水半潜式钻井平台典型节点谱疲劳分析[J].中国海洋平台,2009,24(5):28-40.Xie Wenhui, Xie Bin, Wang Shisheng.Spectral-based fatigue analysis for typical joint of deepwater semi-submersible platform[J].China Offshore Platform, 2009,24(5):28-40.(in Chinese)[4] 冯国庆, 任慧龙, 陈北燕,等.在役平台结构疲劳评估的工程计算法[J].中国海洋平台,2010,25(4):50-53.Feng Guoqing, Ren Huilong, Chen Beiyan, et al.Engineering calculation of structure fatigue strength assessment for aging platform structures [J].China Offshore Platform, 2010,25(4):50-53.(in Chinese)[5] 窦培林, 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海洋立管内流流动分析及疲劳寿命预测
海洋立管内流流动分析及疲劳寿命预测骆正山;蔡梦倩【摘要】涡激振动是立管发生疲劳破坏的关键因素之一.为了更加准确预测其疲劳寿命,基于Van Der Pol尾流振子模型,考虑内外流共同作用对立管的涡激振动影响及横向和顺流向的耦合作用,建立了立管涡激振动方程,用Hermit插值函数和Newmark-β法对方程求解,进一步采用P-M准则对立管疲劳寿命进行分析.并且通过设计试验对模型进行验证,最后研究管内流速对位移响应和疲劳寿命的影响.结果表明:立管振动位移随内流流速的增加而增加,造成立管疲劳寿命降低;通过增大顶张力可以有效消除内流的影响;立管两自由度涡激振动疲劳寿命大体相等,因此双向耦合作用在立管振动分析中应给予足够重视.【期刊名称】《中国安全生产科学技术》【年(卷),期】2019(015)004【总页数】6页(P84-89)【关键词】海洋立管;内流;疲劳寿命;VanDerPol尾流振子;P-M准则【作者】骆正山;蔡梦倩【作者单位】西安建筑科技大学管理学院,陕西西安710000;西安建筑科技大学管理学院,陕西西安710000【正文语种】中文【中图分类】X9370 引言中共十八大及十九大报告中强调“海洋强国”战略，指出海底资源的开发将是我国能源发展的总趋势，但复杂多变的海洋环境使开采工程面临多方面的威胁，其中失效破坏多源于海洋立管涡激振动引起的疲劳破坏，因此准确预测立管的涡激振动在油气开发系统中占有重要地位[1-3]。
现如今国内外学者已经开展了大量研究，Nguyen等用CFD仿真软件进行了圆柱涡激振动数值模拟，研究表明三维圆柱体数值模拟模型更接近涡激振动实际工况特性[4]；Huera-Huarte.F.J等对立管模型进行实验研究，发现涡激振动顺流向的响应对立管疲劳的影响与横流向的振动响应在数量级上相当[5]；翟云贺等基于SST k-ω湍流模型采用RANS方法对立管运动轨迹及尾涡等特性进行了研究[6-8]。
海底管道焊接接头疲劳寿命仿真探微
海底管道焊接接头疲劳寿命仿真探微随着能源工业以及海洋勘探、开采的迅速发展，资源开发从陆地转移到海洋，并且从常规水深（小于500m）向深水（500～1500m）乃至更深层的水域（大于1500m）发展，深层次的海洋开发正逐步成为世界石油工业的主要增长点和竞争点。
海底管道是海上石油运输的主要方式之一，由于海底管道所处环境非常复杂，会受到多种载荷的作用，其中输油载荷海底管道承受的主要载荷，这些载荷对管道的寿命以及海油工程的安全性具有重要影响。
在海油工程中受市场供需以及输油技术造成的启停等原因，管道的输油压力会发生周期性的波动，对管道产生周期性的交变应力。
在此交变载荷的作用下，管道由于工艺等原因造成的原始缺裂纹会发生疲劳扩展，最终引发管道的疲劳断裂。
焊接是海底管道接头常用的连接方式，焊接部位由于焊接工艺以及材料上的缺陷，是管道结构中最容易发生破坏的薄弱环节。
在受到油液的交变载荷时常会发生疲劳失效，因此对焊缝疲劳寿命分析是预防疲劳损坏和疲劳失效故障的首要前提，而焊接坡口角度的大小是焊接工艺中很重要的参数，本文采用有限元的方法进行焊接坡口角度对焊缝疲劳寿命的影响研究。
1 管道选取及载荷分析1.1 管道载荷分析海底管道在输油过程中会受多种载荷的作用，主要受管道的内压和外压。
本文对双层管疲劳寿命进行研究，故只考虑内压，且暂不考虑管道受到的其他载荷和温度影响。
管道的疲劳失效通常是由管道受到的各种交变应力引起的，用R 表示交变应力变化程度，R等于输油压力最小值与最大值之比，根据输油实际情况在0.1～0.6之间。
当交R接近于0.1时，相当于多次启停供油或反复进行压力试验等情况；当R接近于0.6时，相当于在正常输油过程中油压发生压力波动的情况。
在对管道进行疲劳分析时，必须综合考虑这两种工况，以使分析结果更接近实际情况。
实际管道的额定输油压力为34.5MPa，取管道输油最大压力为34.5MPa。
管道输油过程中由压力波动引起的应力循环峰值，选取为输油压力为34.5MPa时所产生的应力。
海底管道维修过程中的疲劳分析研究
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海底管道维修过程中的疲劳分析研究
叶宏平1，董树阳1，王凤莲2，冷枝1，刘洋1
（1.海洋石油工程股份有限公司安装公司， 天津 300452） （2.海洋石油工程股份有限公司设计公司， 天津 300452）
[摘 要] 在海洋油气田中，海底管道是输送油气水介质的关键设施，海底管道一旦遭受破坏，油气田的正常生产将无法进 行。海底管道的维修十分重要。本文依据S-N曲线及MINER线性累计损伤理论，利用OFFPIPE软件建立海底管道铺设模型，对 海底管道维修过程进行疲劳分析，论证了各对应海况下按方案施工的可行性，同时也为维修过程选择合理的施工海况提供 了计算支持。 [关键词] 海底管道；维修；S-N曲线；MINER理论；疲劳分析
4.2 疲劳分析标准 疲劳分析中引入设计疲劳因子作为安全系
数，要求疲劳损伤与设计疲劳因子乘积小于1。根
第8期
叶宏平等 海底管道维修过程中的疲劳分析研究
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据DNV-OS-F101规范，不同阶段要求的设计疲劳 因子可从表3中选取。
表3 许用设计疲劳因子
安全等级
低
中
高
设计疲劳因子
3
5
10
根据规范要求，通常情况下安装阶段、调试 阶段及操作阶段分配比例为10%、10%和80%。但 是由于不同阶段对于疲劳许用量的需求不同，可 以根据情况进行调整。例如，对于在操作阶段在 海床上没有疲劳抵抗需求的管道，分配比例可以 进行相应调整，安装阶段、调试阶段及操作阶段 分配比例为80%、10%和10%。
南海某气田一条单层长输海底管道1995年铺 设完成并投入使用，设计寿命为40年。2013年该 管道压力出现异常，经水下调查发现，在KP500附 近相距400m的南北两侧阀组，由于外物钩挂出现 渗漏、保护罩侧翻及管道悬跨等问题。当时为了
基于断裂力学的钢桥疲劳裂纹扩展与寿命评估方法研究共3篇
基于断裂力学的钢桥疲劳裂纹扩展与寿命评估方法研究共3篇基于断裂力学的钢桥疲劳裂纹扩展与寿命评估方法研究1基于断裂力学的钢桥疲劳裂纹扩展与寿命评估方法研究随着现代城市化建设的发展，桥梁成为城市交通建设的重要组成部分，同时也是城市重要设施的代表。
其中，钢桥因其良好的经济性、可靠性和耐久性等优点而受到广泛应用。
但是，由于长期使用中的疲劳和氧化会导致钢桥出现裂纹和损伤，这会影响其结构安全性和服务寿命，严重时甚至会导致桥梁崩塌，给城市交通建设带来严重影响。
因此，如何确定钢桥的寿命，预测桥梁损伤发生的时间和位置是工程施工和维护过程中需要重点关注的问题。
近年来，研究人员通过应用断裂力学原理，结合数值模拟和实验检测等手段，开展了一系列钢桥疲劳裂纹扩展与寿命评估方法的研究工作，取得了一定的成果。
首先，基于断裂力学原理，可以通过评估材料的裂纹扩展生命和掌握裂纹扩展的特征和机制，为设计和维护工程提供基础数据。
在研究过程中，研究人员通过实验检测获得了钢材疲劳裂纹扩展数据，利用统计技术对数据进行分析，得出了裂纹扩展生命的概率分布函数。
同时，基于复合材料的强度设计原理，开发了基于扭曲裂纹能量的疲劳损伤模型，定量评估了钢材材料的疲劳寿命。
其次，钢桥疲劳裂纹扩展的特征和机制对寿命评估具有重要影响。
研究人员通过数值模拟分析了钢桥疲劳裂纹的扩展特征和可重复性，并建立了疲劳损伤演化方程。
通过分析裂纹扩展的机制和特征，提出了基于断裂力学的疲劳寿命评估方法，对减少钢桥疲劳裂纹扩展造成的损伤具有重要意义。
最后，针对钢桥疲劳裂纹的修补和维护，增强桥梁的结构安全性，需要研究大型工程的破坏性能。
研究人员通过应用断裂力学的基本理论研究了钢桥疲劳裂纹的扩展特征和破坏形态，并建立了疲劳裂纹路径分析和材料参数界面理论。
研究结果可以为工程师提供更有效的修复和维护策略，确保桥梁的安全性和长期使用寿命。
总之，基于断裂力学的钢桥疲劳裂纹扩展与寿命评估方法的研究对于确保钢桥的安全性和寿命评估具有重要意义。
服役海底管道钢疲劳可靠性试验与海底管道寿命预测
服役海底管道钢疲劳可靠性试验与海底管道寿命预测闫相祯;刘锦昆;许志倩;杨秀娟【摘要】针对波浪力下海底管道悬空段的疲劳寿命问题,从某服役X60钢海底管道悬空段上取样进行拉-拉成组多级疲劳试验,获得服役X60钢海底管道试件在不同应力水平下的疲劳寿命及其概率统计分布,利用参数假设检验法确定X60钢管道试件的疲劳寿命分布特征,由此外推出不同存活率下的疲劳对数寿命与等效循环应力之间的线性关系式.通过引入"疲劳极限复合修正系数"和"等价非对称循环度系数"对X60钢试件的P-S-N曲线进行修正,得出X60钢海底管道悬空段的疲劳寿命预测公式.结合试验结果分析表明:X60钢海底管道试件的疲劳寿命服从对数正态分布;疲劳对数寿命与等效循环应力之间近似为线性关系;海底管道疲劳寿命预测公式计算结果与试验数据吻合良好.【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(034)005【总页数】5页(P109-113)【关键词】X60钢;海底管道;焊接接头;疲劳寿命;P-S-N曲线【作者】闫相祯;刘锦昆;许志倩;杨秀娟【作者单位】中国石油大学,储运与建筑工程学院,山东,青岛,266555;中国石油大学,机电与工程学院,山东,东营,257061;中国石油大学,机电与工程学院,山东,东营,257061;中国石油大学,储运与建筑工程学院,山东,青岛,266555【正文语种】中文【中图分类】TE98由疲劳断裂引起的海底管道失效是国内外学者研究的热点。
目前，国内主要利用规范公式对疲劳裂纹的扩展规律进行研究［1－3］，部分学者采用失效评估图技术结合裂纹扩展规律对管线钢寿命进行预测［4］。
此外，国外的一些断裂评估规范［5－10］和疲劳评估报告［11－16］为海底管道设计提供了一定指导。
针对海底管道悬空段在波浪力作用下的疲劳寿命问题_，笔者从胜利油田某服役X60钢海底管道上截取管段，取样进行拉-拉成组多级疲劳试验。
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要 的 作 用 。利 用 三 维 断 裂 分 析 软 件 Ｆ ＡＮ ３ Ｒ Ｃ Ｄ对 循 环 载 荷 下 深 水 立 管 环 焊 缝 焊 接 缺 陷 造 成 的等 效 裂 纹 进 行 了 裂 纹 扩 展 仿 真 ， 过 仿 真 得 到 了 裂 纹 扩 展 的 形 态 和 特 征 ， 算 了疲 劳 裂 纹 扩 展 寿 命 ， 且 将 计 算 通 计 并
于 海床 的海 底设 备 的导 管 ， 具有 多种 可 能 的结
构 ， 如 自 由 悬 挂 钢 悬 链 线 立 管 （ ｔｅ 例 Ｓｅｌ
Ｃ ｔｎ ｒ ｉｅｓ Ｓ Ｒ） 顶 端 张 紧 立 管 （ ｐ ａｅ ａｙ Ｒ ｓｒ ， Ｃ 、 Ｔｏ
Ｔｅ ｓ ｎ Ｒ ｓｒ ， ＴＲ） 等 。深 水 Ｔ ｎｉ ｉ ｓ Ｔ ｏ ｅ 等 ＴＲ 立 管 通 过 张 紧器 或 者浮 力 罐 实 现立 管 张 紧 ， 大 部 绝 分长 度是 采用 螺纹 连接 器连 接 而成 ， Ｒ立 管 ＴＴ 的缺 点 是难 以适应 水深 很 大 的浮体 漂 移 。Ｓ Ｒ Ｃ
｝
８１
’
图 １ 立 管 焊 接 尺 寸 图
立管 主 体 采 用 标 准 长 度 的 钢 质 管 节 焊 接 而
成＿ ， 构形式 相 对 简 单 。该 立 管 的特 点 是 集 １结 ］ 海底 管线 与立 管 于一身 ， 端连 接水 下井 口， 一 另
一
全 尺寸 模 型 是 ＡＰ Ｌ Ｘ一 ６ Ｉ５ ０等 级 的 钢 管 。数 值模 拟 中的弹性 模量 Ｅ一２ １ ０ Ｎ／ ． ×１
纹 失稳 扩展 ， 裂纹 仿真 停止 。
命预 测 的仿真 研究 。
２ 未熔 合 缺 陷裂 纹 扩 展 形 态
焊 接标 准允 许 焊缝 中有 小 尺 寸 缺 陷 ， 缝 焊
中加 载 的 裂 纹 缺 陷 符 合 Ｂ ７ １ 中 的 Ｅ 标 Ｓ ９０ 准［ ： 陷 中心距离 最 近 的表 面 为 ７ ５ｍｍ， ３缺 ］ ． 图 ２中的矩 形框 面积 为 ２ 圆代 表 裂 纹 。裂 ８ｍｍ ， 纹 缺 陷在立 管 中的位置 如 图 ３所示 。
１ 立 管 模 型 建 立与 裂 纹 扩 展 依 据
以名义 直径为 ６ ５ 寸的立管为模 型 ， ．英 外径
为 １２ｍｍ， 度为 １ ６ 厚 ５ｍｍ， 中间为环焊缝 。接 焊 的几何 尺寸分 布 如 图 １ 示 。焊接 角 为 ６ 。焊 所 ０，
收 稿 日期 ： ０ １０ — １ ２ １ － ７ １
与 未 焊 透 导 致 的 环 缝 裂 纹 进 行 了 裂 纹 扩 展 和 寿
复合型 裂纹 断裂判 定准 则 主要 有 能量 释放 率 准 则 、 变 能密 度 因子 准 则 和最 大 周 向应 力 应 准则 ３种［ 。Ｆ ２ ］ ＲＡＮＣ Ｄ根 据第 三种 确 定裂 纹 ３
扩 展方 向。当最 大 周 向应力 达 到 临 界 值 时 ， 裂
ｌ ｘ ｍａ ｌ ｆ：０ ０ ６ｍｍ 。不 同 应 力 幅 下 的 轴 向方 ． １
绝对值 分 别 为 ０ ０ ６ ０ ０ ０ ０ ０ ８ｍｍ。对 于 ． ３ ，． ３ ，． ２
“ ” ， 上 点 ３种应 力 幅下 最 大 扩 展 绝 对 值 分 别 为 ０ １４ ０ １ ０ ０ １ ８ｍｍ。在初 始 扩展 时 ， 纹 ． ０ ，． ７ ，． ０ 裂 轴 向的 扩 展 不 稳 定 ， 扩 展 后 期 稳 定 向 正 向 在
环境 。焊 接 结构 的疲 劳 寿 命 对 Ｓ Ｒ 立管 整 体 Ｃ
结 构 的安 全 可靠 性 起 着 至关 重 要 的作 用 ， 缝 焊 的抗 疲 劳性 能 在一 定 程 度 上决 定 了 Ｓ Ｒ立 管 Ｃ 的疲 劳 寿 命 。笔 者 主 要 针 对 Ｓ Ｒ 立 管利 用 三 Ｃ 维断裂分析软件 Ｆ ＲＡＮＣ Ｄ 对 常 见 的 未 熔 合 ３
ｍ ｍ 。
，
端 连 接 水 面 浮 式 结 构 。Ｓ Ｒ对 浮 体 漂 移 和 Ｃ
泊松比 ｖ ． 一０ ３。母材 和焊缝 区的屈 服强
升沉 运 动 的容 度大 ， 能适 用 于 高温 高 压介 质 且
度 分别 为 ４ ６ ４ ｍｍ ８ ． ２Ｎ／ 和 ５ ３ ９ ｍｍ 。 ８．７ Ｎ／
结果与 Ｂ ７１ 标 准进行了对 比。 Ｓ９０
关
键 词
Ｆ ＡＮ ３ Ｒ Ｃ Ｄ；未 熔 合 ；未 焊 透 ；裂 纹 扩 展 ；疲 劳 寿 命
ＴＥ ５ ８１
中 图法 分 类 号
海 洋深水 立 管作 为连接 水 面浮式 装置 和位
缝 根部 间隙为 ３ ５ ． ｍｍ， 高度 为 ２ ｍｍ。按照全尺 寸模型 ， 焊缝 的外表 面与立管 的外 表面齐平 。
第 １ ９卷
第 ４期
北 京石 油化 工学 院学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＢ ｉｎ ｎ ｔ ｕ ｔ
Ｐｅ ｒ — ｈｅ ｉａ ｃ ｏｌ ｇ ｔ ｏ ｃ ｍ ｃ ｌＴｅ ｈｎ ｏ ｙ
Ｖｏ ． ９ ＮＯ ４ １１ ．
Ｄｅ ． １１ ｃ ２０
考 虑 当裂纹 处 于最 危 险 的 位 置 ， 即位 于 管 道 拉应 力最 大 的位 置 （ ３中立 管横 截 面 ９ 。 图 ０位
第 ４期
帅潇 等 ．深水 立管 环缝 裂纹 扩展 和疲 劳寿命仿 真研 究
３ ３
长度 为 ｌ ｘｌ ｍａ ｔ一０ ０ ． １ｍｍ； 点轴 向扩 展 长度 左 ｌ ｘｌ ｍａ 左一 ０ ０ ４ ｍｍ、 点 的 轴 向 扩 展 长 度 ．０ 下
２１ ０ １年 １ ２月
深水 立 管环 缝裂 纹扩 展 和 疲 劳 寿命 仿 真 研 究
帅 潇 贾 文卓 周 灿 丰 焦 向东
（ ．北 京 化 工 大 学 ， 京 １ ０ ２ ； ．北 京 石 油 化 工 学 院 ， 京 １ ２ １ ） １ 北 ００９ ２ 北 ０ ６ ７
摘
要
深 水 立 管 作 为 深 水 生 产 系 统 中连 接 水 面 浮 式 装 置 和 海 底 设 备 的 导 管 ， 有 非 常 重 具