裂纹损伤下新型复合立管的强度分析范文

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摘要:正确评估裂纹损伤对新型复合立管极限承载力的影响越来越成为重要的研究课题，对立管的维护、延寿都起到重要的指导作用．文中主要运用ABAQUS有限元软件，分别讨论了裂纹尺寸、腐蚀壁厚参数的变化对立管极限承载力的影响．结果表明:裂纹长度对极限强度的影响要大于裂纹深度的影响，且裂纹尺寸越大，极限承载力下降越快;此外，腐蚀壁厚量为15%时的极限强度比未损伤时下降了44.74%．

关键词:复合立管;裂纹损伤;剩余强度;腐蚀壁厚

复合立管作为海洋油气资源开发必不可少的设备之一，越来越受到人们的关注，很多学者针对损伤圆管构件强度和结构行为的影响进行了大量的试验和理论研究［1－2］，但是针对裂纹损伤下的立管剩余强度研究很少．文献［3］中建立了含有凹坑损伤管子的三维有限元模型，在考虑边界条件的影响下，对损伤管子做出相应的假设，得到不同边界条件构件载荷－位移响应的解析式．文献［4］中将边界条件和初始载荷对管的影响考虑在内，应用四节点的壳单元，对在静态和动态载荷作用下管的响应做了分析．并借鉴了Wierzbicki模型简化的方法，推导出求解只受侧向载荷管位移响应的解析式，并将解释式计算结果与有限元计算结果对比，验证了解析式的正确性．文献［5］中将不同极限海况考虑在内，对深水顶张式立管非线性运动及浪致疲劳损伤进行了分析，并结合S－N曲线方法，研究了波浪对立管疲劳性能的影响．文献［6］中通过FEM对受到内压和波浪力作用下的立管疲劳特性进行分析，研究了裂纹尺寸(长度和深度)大小对疲劳寿命的影响，得出了立管疲劳寿命的解析式，并推导出含裂纹海洋立管的失效概率、可靠性指标的计算公式．剩余强度是结构系统在一个或者多个构件因受损或者失效后仍能继续承受载荷的能力．疲劳裂纹是海洋结构物中最为常见的一种时变损伤，它是在疲劳载荷长期作用下产生并扩展的．立管在海平面附近的法兰处有较高的应力集中，且此区域的应力循环幅值比较大，很容易出现疲劳裂纹．在交变载荷作用下，疲劳裂纹会发生扩展直至构件失效．文中以新型复合立管为研究对象，针对关键构件进行剩余极限强度研究，并考虑初始裂纹尺寸(裂纹表面长度、裂纹纵向深度尺寸)、腐蚀壁厚共同作用，研究了不同服役年限下立管剩余强度变化规律．

1关键构件模型的建立

新型复合立管采用高强度钢带作为外层包裹材料，强度级别较低的可焊钢管作为基体，基本参数如表1．主要结构形式包括:保护层、保温层、法兰、钢带、内管等，如图1，有限元模型如图2．对于裂纹损伤的新型复合立管结构剩余极限强度的研究通常假设在应力集中区域已经存在一条裂纹来研究裂纹对结构剩余强度的影响［7］，裂纹定义在出现应力最大法兰的开孔处，如图3．文中对新型复合立管关键构件的极限强度研究是通过有限元增量法获得转角与曲率的关系来确定的.对深水立管结构的极限强度分析［8］，主要考虑受弯情况．载荷的施加采用MPC法，施加方式是在结构需要施加载荷的两个断面中心位置处建立一个节点，然后使用MPC单元约束断面节点，使得端面每个节点与建立的单元在行为上一致，最后将载荷直接施加到建立的节点上．文中根据MPC法原理，对关键构件的两端面进行约束处理，并在节点上施加一个ω=0.01rad/s的转角，如图4．

2裂纹损伤下关键结构剩余极限强度分析

2.1无损条件下关键构件极限强度分析

立管结构极限承载力是评估剩余强度的基础，必须考虑关键构件无损伤时在弯曲载荷作用下的极限承载力，计算结果如图5．关键构件受弯极限承载力为434593N•m，并得出极限状态下关键构件弯曲—曲率关系曲线，如图6．在转角θ小于0.01rad时，弯矩基本随转角的增大线性增加;转角在0.018rad左右时，弯矩达到最大值;在转角大于0.025rad时，弯矩基本保持稳定．

2.2关键构件损伤下的剩余极限强度分析

立管结构在全寿命周期内，疲劳损伤会导致结构的极限承载力减小．计算关键构件在受到弯曲载荷作用和疲劳损伤影响下不同服役年限的剩余极限承载力，计算结果如图7．从图7可以看出:在初期，结构的剩余极限承载力F下降比较缓慢;在中后期，剩余极限承载力下降速度逐渐加快;在服役后期，裂纹穿透法兰内壁导致立管功能失效，此时结构的剩余强度为330860N•m，与初始状态得到的结果相比极限强度下降了24.04%．通过对深水新型复合立管关键构件全寿命剩余强度分析，得到在不同服役年限疲劳损伤下的剩余极限承载能力，如表2，变化规律如图8．

2.3初始裂纹尺寸对关键构件剩余极限强度的影响

初始裂纹尺寸对结构的疲劳寿命具有重要的影响．缺陷可能出现在立管的任意部位，这与很多因素有关．微观裂纹的研究对现实工程来说意义不大，通常把宏观裂纹的出现，作为疲劳裂纹的起始标志．对于表面裂纹来说，起始裂纹深度c尺寸达到0.15mm、长度方向尺寸a达到0.5mm就被认为裂纹的起始;对于贯穿裂纹当裂纹长度尺寸为0.2mm时，被看作为疲劳起始［9］．分别建立初始裂纹深度为0.15mm，初始裂纹长度尺寸为0.5，1.0，1.5，2.0mm的有限元模型，得到时变裂纹损伤下关键构件的剩余极限强度，绘制剩余极限强度随服役年限变化的曲线(图9)．从图中基本可以看出，随着服役年限的进一步增加，初始裂纹长度尺寸越大，新型复合立管剩余极限强度下降的越快.分别建立初始裂纹长度为2.0mm，深度尺寸为0.15，0.5，1.0，1.5mm的有限元模型，得到时变裂纹损伤下关键构件的剩余极限强度，绘制剩余极限强度随服役年限变化的曲线(图10)． 从图中可以得到类似的结论，即随着服役年限的进一步增加，初始裂纹深度尺寸越大，新型复合立管剩余极限强度下降的越快．

2.4壁厚腐蚀对关键构件剩余极限强度的影响

分别建立含时变裂纹损伤壁厚腐蚀量为0，5%，10%，15%的关键构件有限元模型，得到构件的剩余极限强度，通过对数据的处理，得到不同服役年限下关键构件剩余极限强度变化规律(图11)，从图中可以看出含裂纹损伤的构件随着服役年限和腐蚀壁厚量的增加，关键构件剩余极限强度下降比较显著．

3结论

(1)疲劳裂纹可使新型复合立管的剩余极限强度减小．在立管服役初期，立管的剩余极限强度减小速度比较缓慢;在中后期剩余极限强度减小速度逐步增加;立管在破坏时，剩余极限强度降低了14.04%．(2)关键构件的极限承载力取决于裂纹的长度，裂纹尺寸越大，极限承载力下降越快．初始裂纹尺寸的增加可使结构的极限强度下降速度加快;初始裂纹长度尺寸的变化对关键构件极限强度的影响要大于初始裂纹深度的变化对关键构件的极限强度影响．(3)随着腐蚀壁厚的增加，立管的剩余极限强度减小比较明显．关键构件壁厚腐蚀量为15%的极限强度比无损伤时的极限强度下降了44.74%．因此，有必要对新型复合立管法兰结构采取防腐措施．(4)通过对腐蚀、裂纹损伤状态下关键构件极限强度进行计算得出，联合损伤状态对关键构件极限承载力影响最大．

参考文献(References)

［1］李天，张猛，张哲，等．数值积分法计算受损伤圆钢管轴压杆件极限承载力［J］．郑州大学学报(工学版)，2004，25(1):11－15．

［5］孙传栋．深水顶张立管的非线性动力分析及波致疲劳研究［D］．青岛:中国海洋大学，2009．

［6］柴宝堆．含裂纹海洋立管的疲劳寿命及可靠性分析［D］．兰州:兰州理工大学，2013．

［7］王芳．具有裂纹损伤的船舶结构剩余极限强度分析［D］．上海:上海交通大学，2007．

［8］赵超凡，李兆霞．焊接结构损伤区细微裂纹扩展的分形特征及其多尺度损伤表征［J］．东南大学学报(自然科学版).

［9］张淑茳．海洋工程结构的疲劳与断裂［M］．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2007．

作者：王庆丰 徐兴振 徐刚 王树齐 单位：江苏科技大学