深水立管环缝裂纹扩展和疲劳寿命仿真研究.pdf

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1、北京石油化工学院学报第19卷第4期Vo1．19NO．4JournalofBeijingInstituteof2011年12月Dec．2011Petro—chemicalTechnology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(1．北京化工大学，北京100029；2．北京石油化工学院，北京102617)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，具有非常重要的作用。利用三维断裂分析软件FRANC3D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，通过仿真得到了裂纹扩展的

2、形态和特征，计算了疲劳裂纹扩展寿命，并且将计算结果与BS7910标准进行了对比。关键词FRANC3D；未熔合；未焊透；裂纹扩展；疲劳寿命中图法分类号TE851海洋深水立管作为连接水面浮式装置和位缝根部间隙为3．5mm，高度为2mm。按照全尺于海床的海底设备的导管，具有多种可能的结寸模型，焊缝的外表面与立管的外表面齐平。构，例如自由悬挂钢悬链线立管(SteelCatenaryRisers，SCR)、顶端张紧立管(TopTensionRisers，TTR)等等。深水TTR立管}’通过张紧器或者浮力罐实现立管张紧，绝大部81分长度是采用

3、螺纹连接器连接而成，TTR立管的缺点是难以适应水深很大的浮体漂移。SCR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全尺寸模型是API5LX一60等级的钢成_1]，结构形式相对简单。该立管的特点是集管。数值模拟中的弹性模量E一2．1×10N／海底管线与立管于一身，一端连接水下井口，另mm。，一端连接水面浮式结构。SCR对浮体漂移和泊松比v一0．3。母材和焊缝区的屈服强度分别为486．42N／mm和583．97N／mm。升沉运动的容度大，且能适用于高温高压介质复合型裂纹断裂判定准则主要有能量释放环境。焊接结构的疲劳寿命对S

4、CR立管整体结构的安全可靠性起着至关重要的作用，焊缝率准则、应变能密度因子准则和最大周向应力的抗疲劳性能在一定程度上决定了SCR立管准则3种[2]。FRANC3D根据第三种确定裂纹的疲劳寿命。笔者主要针对SCR立管利用三扩展方向。当最大周向应力达到临界值时，裂维断裂分析软件FRANC3D对常见的未熔合纹失稳扩展，裂纹仿真停止。与未焊透导致的环缝裂纹进行了裂纹扩展和寿2未熔合缺陷裂纹扩展形态命预测的仿真研究。焊接标准允许焊缝中有小尺寸缺陷，焊缝1立管模型建立与裂纹扩展依据中加载的裂纹缺陷符合BS7910中的E标以名义直径为6．5英寸

5、的立管为模型，外径准[3]：缺陷中心距离最近的表面为7．5mm，图为162mm，厚度为15mm，中间为环焊缝。接焊2中的矩形框面积为28mm，圆代表裂纹。裂的几何尺寸分布如图1所示。焊接角为60。，焊纹缺陷在立管中的位置如图3所示。考虑当裂纹处于最危险的位置，即位于管收稿日期：2011-07—11道拉应力最大的位置(图3中立管横截面90。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33长度为lmaxlt一0．01mm；左点轴向扩展长度绝对值分别为0．036，0．030，0．028mm。对于lmaxl左一0．004mm、下

6、点的轴向扩展长度“上”点，3种应力幅下最大扩展绝对值分别为lmaxlf：0．016mm。不同应力幅下的轴向方0．104，0．170，0．108mm。在初始扩展时，裂纹向增长值在0．O1mm级单位以内，可以视为裂轴向的扩展不稳定，在扩展后期稳定向正向纹在平面内扩展。裂纹在平面内扩展形态近似扩展。圆形。巴西里约联邦大学(COPPE／UFRJ)开发了一套管道环缝全尺寸疲劳试验装置和仿真程3未焊透缺陷裂纹扩展形态序，对含有缺陷的环焊缝在卷曲拉直过程中的同样以裂纹处于最危险位置，即拉应力最疲劳性能进行了研究。研究表明缺陷裂纹在径大的位置为例

7、进行研究。裂纹的扩展形态如图向的生长远大于轴向的生长，与所受载荷为弯8所示。因为模型对称，故取一半，对“上”、矩的情况相吻合]。而利用FRANC3D对立“左”2点进行分析。管环焊缝缺陷进行仿真可以看到，裂纹轴向扩展远大于径向扩展，也与所受载荷为弯矩相符合。4焊缝疲劳寿命计算最大拉应力位置裂纹的扩展寿命，采用图8未焊透疲劳裂纹扩展示意图Pairs公式描述疲劳裂纹扩展速率da／dN与应力强度因子范围AK之间的内在关系]：通过“上”、“左”2点扩展前后的坐标可得da到相同位置不同应力幅的裂纹扩展形态对比，—c(△K)见图9和图10。式中

8、，C一5．37×10。，m一3．19，均为材料常数。使用FRANC3D软件计算危险点的寿命，得到不同应力幅下未熔合、未焊透的疲劳寿命，吕见表2。将得到的结果与BS791O标准中的E出曲线进行对比，如图11所示。可以看到相同应皑力幅下，未熔合的疲劳寿