钢悬链线立管焊接接头断裂性能及安全性评定方法研究
钢悬链线海洋立管(SCR)是一种新型海洋立管，已成为开发深海油气资源的首选立管类型，在深水海域要比顶张力立管和柔性立管优势大。立管之间通过焊接连接起来，在焊接过程中会不可避免的产生缺陷。立管裂纹如果从焊接接头处起裂，在大弯矩载荷的作用下，裂纹扩展需要的能量很小，加上焊接接头力学不均匀性，很容易发生断裂。由于钢悬链线立管在波浪的作用下，立管悬垂段会受到大弯矩载荷的作用。相比其他载荷，大弯矩载荷对含环向裂纹的立管焊接接头的影响最大，破坏性远大于其他载荷。因此，对大弯矩钢悬链线立管焊接接头进行断裂分析及安全评定方法的研究，具有重要的意义和实用价值。
本文针对大弯矩对深水海洋立管的影响，在断裂力学理论的基础上，基于商用软件ABAQUS展开，以立管焊缝中含裂纹的焊接接头为研究对象，计算裂纹尖端区域附近的应力场。研究钢悬链线立管焊接接头的应力分布规律，分析管道径厚比、裂纹尺寸和组配等因素对立管焊接接头裂尖区域塑性区的影响。结果表明，立管环向裂纹的应力强度因子K的值最大，裂纹最易扩展，其危害性最大。在达到尖端开裂扩展的极限时，环向裂纹尖端应力值达到最大。在裂纹尖端扩展以后，应力值随之减小并呈现平稳趋势。立管焊接接头的组配因子不同时，塑性区的变化较为显著，承受大弯矩载荷时，裂尖区域塑性区的不对称更加明显，说明大弯矩对断裂性能影响非常显著。低组配时裂尖区域靠近母材一侧的塑性区要小于裂尖区域靠近焊缝一侧的塑性区，塑性区中较高的应力主要集中在母材区，向母材两侧扩展。而高组配时，情况恰恰相反。
结合弹塑性断裂力学，选择J积分作为裂纹断裂参量，计算含裂纹立管焊接接头的断裂参量，讨论裂纹深度、长度、管道径厚比和焊接组配对立管焊接接头断裂参量的影响。结果表明，在进行焊缝含裂纹焊接接头的断裂性能时，必须考虑这些因素的影响，并且随着载荷比的提高，这种差异也更加明显。立管在大弯矩作用下，裂纹驱动力增长显著，因此研究大弯矩载荷作用下的焊接接头断裂性能是非常重要的。高组配下裂纹尖端对应的J积分值小于等组配的，等组配下裂纹尖端对应的J积分值又小于低组配的，低组配裂纹的断裂驱动力最大，最容易发生断裂。
在上述基础上，根据EPRI的J积分估算方法，对ABAQUS计算出的裂纹J积分进行处理，计算出裂纹的全塑性解系数h1，编制出全塑性解系数h1表格，供工程中使用。对全塑估算性解系数h1估算公式进行了拟合。
应用SINTAP评定方法对大弯矩含裂纹立管进行安全评定。分别用0级、1级及3级进行安全评定，结果表明，本文所采用的立管焊接接头是安全的。评定级别越低，评定曲线的保守性也越高。
海洋立管;钢悬链线立管;焊接接头;断裂性能;安全性评定
北京化工大学
硕士
机械电子工程
吕涛
2013
中文
TG457.6;TG407
100
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）