鋼懸鏈線立管焊接接頭斷裂性能及安全性評定方法研究.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)勢大。立管之間通過焊接連接起來，在焊接過程中會不可避免的產生缺陷。立管裂紋如果從焊接接頭處起裂，在大彎矩載荷的作用下，裂紋擴展需要的能量很小，加上焊接接頭力學不均勻性，很容易發(fā)生斷裂。由于鋼懸鏈線立管在波浪的作用下，立管懸垂段會受到大彎矩載荷的作用。相比其他載荷，大彎矩載荷對含環(huán)向裂紋的立管焊接接頭的影響最大，破壞性遠

2、大于其他載荷。因此，對大彎矩鋼懸鏈線立管焊接接頭進行斷裂分析及安全評定方法的研究，具有重要的意義和實用價值。
　　 本文針對大彎矩對深水海洋立管的影響，在斷裂力學理論的基礎上，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象，計算裂紋尖端區(qū)域附近的應力場。研究鋼懸鏈線立管焊接接頭的應力分布規(guī)律，分析管道徑厚比、裂紋尺寸和組配等因素對立管焊接接頭裂尖區(qū)域塑性區(qū)的影響。結果表明，立管環(huán)向裂紋的應力強度因子K的值最

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

4、結合彈塑性斷裂力學，選擇J積分作為裂紋斷裂參量，計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立管焊接接頭斷裂參量的影響。結果表明，在進行焊縫含裂紋焊接接頭的斷裂性能時，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，裂紋驅動力增長顯著，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應的J積分值小于等組配的，等組配下裂紋尖端對應的J積分值又小

5、于低組配的，低組配裂紋的斷裂驅動力最大，最容易發(fā)生斷裂。
　　 在上述基礎上，根據EPRI的J積分估算方法，對ABAQUS計算出的裂紋J積分進行處理，計算出裂紋的全塑性解系數h1，編制出全塑性解系數h1表格，供工程中使用。對全塑估算性解系數h1估算公式進行了擬合。
　　 應用SINTAP評定方法對大彎矩含裂紋立管進行安全評定。分別用0級、1級及3級進行安全評定，結果表明，本文所采用的立管焊接接頭是安全的。評定級別越低，評