影响海洋石油平台导管架寿命因素研究和应对策略

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1、影响海洋石油平台导管架寿命因素研究和应对策略　　摘要：导管架结构长期服役在恶劣的海洋环境条件下，其安全性与服役寿命普遍受到环境因素的作用与影响，这些环境荷载是决定深水导管架结构安全性与服役寿命的关键因素。文章针对这些因素，给出在结构设计时的应对策略。关键词：海洋石油平台；导管架；导管架断裂；导管架寿命中图分类号：TG174文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）31-0078-02导管架结构长期服役在恶劣的海洋环境条件下，其安全性与服役寿命普遍受到风、波浪、潮流、海流、积雪、结冰、流冰、海底土质情况、地温、水温、气温、潮汐等因素的作用与影响，甚至这些环境荷载

2、（主要是风、波、浪、流）成为决定深水导管架结构安全性与服役寿命的关键因素。1主要破坏形式6海洋工程结构在环境载荷作用下所产生结构响应分刚体位移及弹性振动两大类，产生破坏形式主要有5种，分别为：极限强度破坏（构件在外载荷作用下最大应力σmax达到或超过了构件最大承载能力）、失稳破坏（构件所受压应力达到许用失稳压缩应力）、脆性破坏、疲劳破坏（在交变载荷作用下含裂纹构件的裂纹失稳扩展）、腐蚀破坏，其中断裂和疲劳以及腐蚀破坏三种破坏形式出现较多。2结构断裂导管架结构断裂容易发生的原因主要有以下五个方面：（1）采油平台导管架结构属于典型的焊接结构，那么在焊接过程中焊缝及近焊缝区产生

3、一定尺寸和数量（如裂纹等）的各种类型缺陷将是无法避免的。（2）其服役环境海域温度可能较低，如断裂预防对于服役于我国渤海海域的海洋工程结构就显得尤为重要，该海域大气温度在冬季可达-22℃左右（50年一遇）。（3）在焊接接头部位很容易产生诸如热应变时效脆化，热影响区粗晶脆化，组织脆化（出现马氏体及M-A组元等脆性组织），遗传脆化，焊缝中氢、氧、氮等元素含量过高而引起的脆化等现象出现，导致焊接接头的低温韧性不容易保证。（4）多轴的焊接拉伸残余应力严重地降低其抗脆断能力（一方面引起三轴拉伸应力状态，降低材料的韧性，另一方面叠加在工作应力之上，严重放大工作载荷）。6（5）随着工程不

4、断向深海推进，海洋工程结构所使用的钢板厚度越来越大，如工作在200m左右水深的我国荔湾3-1的固定式海洋石油平台导管架的桩腿壁厚已达100mm厚，导致钢材的韧性降低。（6）导管架结构复杂，存在高度应力集中的部位，如海洋石油平台导管架的K、T、Y节点部位。3疲劳断裂导管架结构疲劳断裂多发的原因归纳为以下四个主要方面：（1）由于焊接区域存在原始缺陷或初始微小裂纹，在服役海区会受到海洋风、浪、流、冰等随机交变载荷作用，这些焊接缺陷很尖锐，容易形成疲劳裂纹而不断扩展，直至疲劳破坏。（2）由于焊接工艺的影响，在焊接区域存在高数值（接近于材料的屈服强度）的焊接残余拉伸应力，与外载荷叠

5、加在一起加速焊接接头焊趾或焊根部位疲劳裂纹的萌生与扩展速度。（3）海洋工程结构存在高度的结构应力集中与焊缝几何形状不连续造成的严重局部应力集中相叠加偶合的问题突出，如海洋石油平台导管架的K、T、Y节点部位。（4）较多海洋工程结构的固有谐振频率（如位于深水区的固定式采油平台），其固有谐振频率与一部分波浪频率过于接近（4～7秒），从而引起严重的交变载荷放大效应（可达10倍），导致疲劳破坏发生。64结构设计应对策略由于导管架结构可能产生五种破坏形式，因此结构设计必须从五个方面入手。传统的结构设计方法主要是：首先保证构件不至于发生全面屈服破坏，即极限强度破坏；其次是保证受压构件不

6、至于发生失稳性的破坏；最后防止脆断和疲劳及腐蚀破坏。而通常对构件上出现局部非连续性的突变区域，则采用具有缓和过渡的节点设计等方法以减低应力集中程度，尽量避免可能诱发开裂的细节设计来避免导管架结构出现脆断和疲劳破坏。众所周知，传统的结构设计方法是按结构构件中不存在裂纹状缺陷的假设为前提的。然而，导管架结构属于典型的焊接结构，既然是焊接结构，那么在焊接过程中焊缝及近缝区产生一定尺寸和数量的缺陷则是必然的。显然，传统的设计方法对所涉及结构在抗脆断和抗疲劳断裂方面具有多大的保证度无法提供具体的量度。现实而先进的解决方法是：承认大型导管架结构中有裂纹存在，在原有设计方法基础上，使用

7、断裂力学设计方法，即根据结构工作条件，如最低使用温度和可期望的最大加载速率，选择结构材料和确定合适的设计应力水平及可容忍的最大裂纹尺寸，避免导管架结构脆断和疲劳破坏的产生。6目前，在海洋工程结构设计阶段就采用基于断裂力学的断裂，疲劳设计方法也是发展方向之一，如DNV在其海上钢结构疲劳设计规范（DNV-RP-C203-2005）和立管疲劳设计规范（DNV-RP-F204-2008）中均将基于断裂力学的断裂和疲劳设计方法引入，并规定具体实施标准应依据英国国家标准BS7910来进行。BS7910由于具有丰富的平板、管道、典型焊接接头