冰区海上平台管节点疲劳寿命计算的新方法.doc

冰区海上平台管节点疲劳寿命计算的新方法 第24卷增刊 5\777口|一!\I95尚诚嘶年 一, 冰区海上平台管节点疲劳寿命 魏差吖,摘要海冰在与海上结构物作用时的自身破坏形式主要有挤压,弯曲,屈曲三 种.在海冰作用下,海上平台管节点所承受的应力与海冰自身三种破坏形式密切相 关,但过去却只按一种破坏形式计算这种应力.现有规范中并未给出低温下的海洋 结构用钢的疲劳寿帝曲线,文中根据石油大学在低温随机冰载作用下进行材料疲劳 裂纹扩展试验的结果,给出了疲劳寿命曲线及参数,并缘台考虑海冰自身三种破坏 形式并存的情况,提出了一种管节点疲劳寿帝计算的新方法.该方法既考虑了冰载 相对时间的随机性,又考虑了相对冰厚的随机性,较一般单一计算方法更精确. 问题提出 ); 我国渤海冬季结冰期达三个多月,海冰对海上平台的作用常较海浪作用大.所以冰区海 上平台的设计以及冰区服役平台的安全可靠性评估,均需考虑在冰载作用下管节点的疲劳寿 命计算问题.从材料本身的抗疲劳强度来看,现有国内外设计规范中_1J,褴有给出低温下的 设计曲线及数据.因此,石油大学进行了大量疲劳寿命试验,历时三年多,给出了低温冰载 作用下常幅的及随机多种海洋结构用钢的疲劳寿命曲线及其参数,补充了现有规范的不足. 从载荷与应力的计算方面来说,由于海冰与结构物相互作用的复杂性,长期以来对海冰作用 力的大小及特性缺乏足够的认识,限制了计算平台管节点的疲劳寿命的准确性及可靠性.石 油大学与渤海石油公司台作,利用多年在海上测冰平台取得的大量实测数据,运用冰激振动 理论,分析多种海冰破坏形式,提出了区别不同海冰破坏形式,分别计算疲劳累积损伤,并 按照损伤累积法则进行迭加综合计算等效应力幅的新方法,以此计算平台管节点的疲劳寿 ?方华灿教授.生于Ic/30年,1952年毕业于北洋大学机槭系,现从事海洋石袖机城方面的教学及科f工作.任石 油大学(北京)拉务委员会尉主任.地址:(1022∞)北京市昌平县.电话:(OlO)649_~.55 (收稿日期:19915-(~.17;修改稿收到13期:199607.18) 2石油机械1996年 命,开拓了提高估算寿命精确度的途径. 不同破坏形式的冰激振动响应 海上平台产生疲劳的交变应力来自于海冰与结构物作用的冰激振动响应,这种响应随海 冰的不同破坏形式而异. 1.海冰自身的主要破坏形式及时间历程 根据渤海石油公司在LI20—2海上测冰平台的实测结果,分别给出几种海冰破坏形式的 脚!砌————————__———广———J柚 H) 州 — 时间历程曲线. (1)海冰挤压破坏当冰原与其相垂直的桩 柱作用时,若应力超过海冰的极限抗压强度,则 在接触面处海冰发生挤压破坏.图h给出了固 定平台桩腿上的典型挤压应力与时间历程曲线. (2)海冰弯曲破坏当海冰沿结构物的倾斜 面作用时,海冰将发生弯曲破坏.图lb给出了 作用于平台桩腿上的典型弯曲应力时间历程曲 线. (3)海冰屈曲破坏当厚度较小的薄冰与结 构物发生挤压时.有可能丧失稳定性而发生海冰 的屈曲破坏,典型的屈曲应力时间历程如图lc 昕示. 2.海冰不同破坏形式的振动响应 圈1三种海水破坏形式下的冰激振动是海冰与结构物两个动力系统相互 应力时闶历程曲线作用,相互耦联的耦合运动.按照耦台运动机理 .挤压应力时间历程b.弯曲应力所建立起的自激性和周期性双重作用模型L2I,在 时阃历程;e.屈曲应力时同历程频率锁定(Lock—in)区内,冰激振动可用自激 振动理论描述,而非频率锁定区则可依强迫振动理论表选.根据耦合运动理论进行计算分 析,得出了管节点应力谱曲线, 如图2所示.图2表明,应力响 应达高峰值是在海上平台的一阶萄 固有频率附近,即海冰自激振动曩 频率与平台固有频率接近时,频篓 率锁住.应力响应最大.因此, 可以一阶固有频率,近似作为交 变应力的循环频率.鞭率(Hz) 田2冰教振动的菅节点熟点应力响应谱 弟24卷增刊方单灿等:冰区海上平台管节点疲劳寿命计算的新方法3 低温冰载作用下海洋石油结构用钢的疲劳性能 为了解决目前国内外规范中缺乏材料低温下的疲劳性能问题,针对海洋石油结构常用的 A537及AI31钢,制成母材板,焊接板以及板焊接成的接头等多种型式试件.进行了室温与 低温下常幅与随机冰载作用下的疲劳试验.井分别给出了s一Ⅳ曲线及da/dN—AK曲线. 1.s一Ⅳ曲线(应力—循环次数曲线) 图3给出了考虑温度及尺寸等影响修正试验 所得结果以后.可用于T型管节点的s一Ⅳ曲 线.图中低温(一25℃)及室温(+加℃)两条 曲线的交点定名为低温安全临界点,因当应力超 过此值之后.则低温疲劳寿命小于室温时的疲劳 寿命. 图3中的s一Ⅳ曲线,其数学表达式分别为 低温:IgN=12.604—3.1731g$(1) IgN 囤3低温度室温