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深水隔水管焊接接头表面裂纹疲劳寿命分析

李时德  
【摘要】:随着陆地和近海油气资源储量的不断减少和对石油资源需要的不断增加,油气的开采已从浅海发展到了深海,并逐步向超深海域推进。深水隔水管作为连接海洋平台与海底井口的关键部件,起到隔绝油井与海水、输送油气和支撑各种管线的作用。在深海中,隔水管所处的环境恶劣,可能会承受海流、波浪、海洋平台运动等一种或多种载荷的作用,其中海流是最重要的载荷之一。当海流流经隔水管时,由流动分离产生涡旋泻放,诱发形成涡激振动。同时,海洋平台的运动及管内流动流体的联合作用,深水隔水管将发生更复杂的耦合运动。这些现象均会缩短深水隔水管的疲劳寿命。除此之外,深水隔水管大多由高强度钢焊接而成。在焊接过程中,其焊接接头处极易萌生表面裂纹,在涡激振动作用下会逐渐扩展,严重情况时,可能会造成深水隔水管的断裂失效。同时,隔水管焊接接头在焊接过程中还会产生局部焊接残余应力场,将进一步影响隔水管在服役期间的疲劳寿命。现有针对深水隔水管涡激振动的研究大多仅考虑单因素下的影响,而少有综合考虑内、外流和顶张力等多因素下的影响;另外,在隔水管疲劳寿命预测方面,也缺少针对其焊接接头疲劳扩展寿命的研究。因此,本文针对以上问题展开了研究,主要工作如下:(1)建立了深水隔水管涡激振动预测模型。基于欧拉梁的弯曲振动理论,考虑了管内、外流体和顶张力等因素,建立了深水隔水管涡激振动模型,并在时域内对其进行了迭代求解。模型数值结果与Song等的实验测量结果和Xu等的数值模拟结果进行了对比,证明了本文涡激振动模型在预测深水隔水管涡激振动的有效性。(2)建立了涡激振动下深水隔水管焊接接头疲劳裂纹扩展寿命预测模型。首先采用雨流法,将深水隔水管的动力响应简化成若干个均幅全循环应力,再转化为等效应力均方根值,在此基础上,基于疲劳裂纹扩展理论,采用Newman-Raju公式、Paris公式和Forman公式,建立了深水隔水管焊接接头表面裂纹疲劳扩展寿命预测模型。模型数值结果与Park、黄和Iranpour等的实验测量结果进行了对比,表明了深水隔水管焊接接头表面裂纹疲劳扩展寿命模型对于预测涡激振动下其疲劳寿命是有效的。(3)分析了主要因素对深水隔水管焊接接头表面裂纹疲劳寿命的影响机理。基于深水隔水管焊接接头表面裂纹疲劳扩展寿命预测方法,探讨了深水隔水管顶张力、管外流动流体、管内流动流体及焊接残余应力等关键因素对其焊接接头疲劳寿命的影响机理。结果表明:由于内流的影响,深水隔水管主要有两个弯曲应力极值,分别靠近其的顶端和低端;随着管内流体速度的增加,靠近其底端焊接接头的弯曲应力大幅增大,从而导致靠近其底端焊接接头的疲劳寿命大幅降低;相比于内流流速,外流流速对其焊接接头的影响更大。随着外流的小幅增加,其焊接接头的疲劳寿命大幅降低;随着顶张力的增加,弯曲应力减小,与此同时,轴向拉伸应力会相应的增大;焊接残余应力场的出现,使得在裂纹深度方向产生很大的拉应力,加速了焊接接头处疲劳裂纹的扩展,减小了其焊接接头的疲劳寿命;另外,随着裂纹的扩展,残余拉应力变为残余压应力,减缓了焊接接头疲劳裂纹的扩展,增加了其焊接接头的疲劳寿命。


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