鋼懸鏈線立管焊接接頭斷裂性能及安全性評(píng)定方法研究.pdf

1、鋼懸鏈線海洋立管(SCR)是一種新型海洋立管，已成為開發(fā)深海油氣資源的首選立管類型，在深水海域要比頂張力立管和柔性立管優(yōu)勢(shì)大。立管之間通過焊接連接起來，在焊接過程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生缺陷。立管裂紋如果從焊接接頭處起裂，在大彎矩載荷的作用下，裂紋擴(kuò)展需要的能量很小，加上焊接接頭力學(xué)不均勻性，很容易發(fā)生斷裂。由于鋼懸鏈線立管在波浪的作用下，立管懸垂段會(huì)受到大彎矩載荷的作用。相比其他載荷，大彎矩載荷對(duì)含環(huán)向裂紋的立管焊接接頭的影響最大，破壞性遠(yuǎn)

2、大于其他載荷。因此，對(duì)大彎矩鋼懸鏈線立管焊接接頭進(jìn)行斷裂分析及安全評(píng)定方法的研究，具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。
　　 本文針對(duì)大彎矩對(duì)深水海洋立管的影響，在斷裂力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，基于商用軟件ABAQUS展開，以立管焊縫中含裂紋的焊接接頭為研究對(duì)象，計(jì)算裂紋尖端區(qū)域附近的應(yīng)力場(chǎng)。研究鋼懸鏈線立管焊接接頭的應(yīng)力分布規(guī)律，分析管道徑厚比、裂紋尺寸和組配等因素對(duì)立管焊接接頭裂尖區(qū)域塑性區(qū)的影響。結(jié)果表明，立管環(huán)向裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子K的值最

3、大，裂紋最易擴(kuò)展，其危害性最大。在達(dá)到尖端開裂擴(kuò)展的極限時(shí)，環(huán)向裂紋尖端應(yīng)力值達(dá)到最大。在裂紋尖端擴(kuò)展以后，應(yīng)力值隨之減小并呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)。立管焊接接頭的組配因子不同時(shí)，塑性區(qū)的變化較為顯著，承受大彎矩載荷時(shí)，裂尖區(qū)域塑性區(qū)的不對(duì)稱更加明顯，說明大彎矩對(duì)斷裂性能影響非常顯著。低組配時(shí)裂尖區(qū)域靠近母材一側(cè)的塑性區(qū)要小于裂尖區(qū)域靠近焊縫一側(cè)的塑性區(qū)，塑性區(qū)中較高的應(yīng)力主要集中在母材區(qū)，向母材兩側(cè)擴(kuò)展。而高組配時(shí)，情況恰恰相反。
　　

4、結(jié)合彈塑性斷裂力學(xué)，選擇J積分作為裂紋斷裂參量，計(jì)算含裂紋立管焊接接頭的斷裂參量，討論裂紋深度、長度、管道徑厚比和焊接組配對(duì)立管焊接接頭斷裂參量的影響。結(jié)果表明，在進(jìn)行焊縫含裂紋焊接接頭的斷裂性能時(shí)，必須考慮這些因素的影響，并且隨著載荷比的提高，這種差異也更加明顯。立管在大彎矩作用下，裂紋驅(qū)動(dòng)力增長顯著，因此研究大彎矩載荷作用下的焊接接頭斷裂性能是非常重要的。高組配下裂紋尖端對(duì)應(yīng)的J積分值小于等組配的，等組配下裂紋尖端對(duì)應(yīng)的J積分值又小

5、于低組配的，低組配裂紋的斷裂驅(qū)動(dòng)力最大，最容易發(fā)生斷裂。
　　 在上述基礎(chǔ)上，根據(jù)EPRI的J積分估算方法，對(duì)ABAQUS計(jì)算出的裂紋J積分進(jìn)行處理，計(jì)算出裂紋的全塑性解系數(shù)h1，編制出全塑性解系數(shù)h1表格，供工程中使用。對(duì)全塑估算性解系數(shù)h1估算公式進(jìn)行了擬合。
　　 應(yīng)用SINTAP評(píng)定方法對(duì)大彎矩含裂紋立管進(jìn)行安全評(píng)定。分別用0級(jí)、1級(jí)及3級(jí)進(jìn)行安全評(píng)定，結(jié)果表明，本文所采用的立管焊接接頭是安全的。評(píng)定級(jí)別越低，評(píng)