深水立管环缝裂纹扩展和疲劳寿命仿真研究

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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 管百度文库于一身 ， 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 。
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
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 ｅ ｏ ｏ ｒ ａ ｅｊ ｇ Ｉ ｓ ｉ ｔ ｆ ｏ ｉ 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
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
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
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
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
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／
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
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 。