ECA技术在海洋平台结构延期服役评估中的应用

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

我国从20世纪80年代开始进行海上油气田的开发开采，经过30多年的发展，部分海洋石油平台到达设计年限，但是所处油田的油气资源依然可观，所以很多平台面临延期服役的需求。对于正在服役期的海洋平台，根据海上固定平台安全规则[1-2]的要求，应对平台进行年检和定期检测。需延期服役的平台长期在波流的作用下，关键受力节点容易出现疲劳裂纹，所以须更为频繁地进行检测。对于中国南海或东海，水下疲劳裂纹检测往往需要借助饱和潜水，实施作业风险大、费用高，因此需要科学合理的方法优化平台的检测周期，确定平台安全服役年限。

英国标准BS 7910是金属结构裂纹评估的国家标准，也是工程临界评估领域的通用规范。该规范以断裂力学为基础，对于存在焊接缺陷的结构，通过应力分析、断裂力学分析等科学分析，在保证结构不发生已知破坏机制如脆性破坏、疲劳失效事故的基础上，保证整体结构的完整性。对于疲劳裂纹的扩展，规范针对不同的服役条件给出不同的裂纹扩展速度，该原则为金属焊接结构的设计和安全使用提供了重要依据。本文基于BS 7910: 2013标准，对中国南海某平台进行裂纹评估。

1 疲劳裂纹扩展分析方法

BS 7910: 2013规范相比于2005版规范有较大变化，2013版规范将评定等级划分为3个等级：选择一、选择二、选择三，原2005版简易评定等级一被删除。在评估中选择何种方法取决于可获得的材料属性和评定的保守程度。相比来说，选择一进行评定需要的资料较少，但是评定也相对保守。随着评定等级的提高，需要的数据支持越来越多，评定的保守程度也相对较低。

图1 典型FAD图

评定应用失效评估图(Failure Assessment Diagram，FAD)的方法进行，通过比较评定点与评定曲线的位置关系确定缺陷是否可接受。图1是典型的FAD图。评定曲线则是由评定曲线方程和截断线构成的。如果评定点位于坐标轴和评定曲线所围成的区域内，则缺陷是可接受的；如果评定点位于曲线外，则缺陷是不可接受的。

断裂力学方法将实际缺陷理想化为尖锐的裂纹，其裂纹扩展速度da/dN与应力强度因子ΔK的关系一般用log(da/dN)与log(ΔK)之间的曲线关系表征，曲线可以用简单的线性关系(比如根据Paris理论)或者采用更加精确的表述方法表征。在ΔK值较小时，裂纹扩展速度下降很快，即在低于裂纹扩展门槛值时，裂纹扩展速度可以忽略。在ΔK值足够高时，即当应力强度因子Kmax值达到结构失效的临界应力强度因子Kc时，裂纹扩展速度迅速增加[3]。

Paris理论公式为

da/dN=A(ΔK)m

(1)

式(1)中：A和m是与材料和外加载荷相关的的常数；当ΔK<ΔK0时，裂纹扩展速度da/dN假定为0。

应力强度因子幅值ΔK是结构几何形状、应力范围、裂纹瞬时尺寸的方程，计算公式为

(2)

式(2)中：Y为应力集中修正系数；a为裂纹尺寸；Δσ为外加应力幅值。

对式(1)进行积分得到裂纹寿命为

(3)

式(3)中：N为疲劳寿命；af为缺陷最终尺寸；ai为缺陷初始尺寸。

对于裂纹扩展速度和应力强度因子门槛值，针对金属结构不同的服役条件如空气条件、海水中自由腐蚀状态、在海水中有阴极保护的情况，BS 7910:2013标准都给出了不同的推荐值[3]。

2 评定流程及关键参数选择

中国南海某海洋石油平台于2005年投产，导管架设计寿命为10年，平台已于2015年达到设计寿命。作业方在2015年对平台进行了整体延寿，服役年限延期至2030年，但是延寿评估建议对低疲劳节点进行定期检测以保证平台结构的完整性。本文在前期研究成果[4]的基础上，对于筛选出的低疲劳节点进行工程临界评估，评定低疲劳节点的极限裂纹尺寸和安全服役时间。评定以BS 7910规范原则为基础，采用CrackWISE软件对该疲劳裂纹寿命进行计算。评定流程为：(1)确定载荷和应力类型；(2)确定材料拉伸性能和断裂韧性；(3)确定缺陷的尺寸和形状；(4)确定FAD图并选定分析类型；(5)计算载荷比Lr和断裂比Kr；(6)进行裂纹断裂评估和疲劳裂纹扩展评估。

图2 节点位置示例

由于未获得材料详细的应力-应变曲线，因此依据选择一进行裂纹的评定。低疲劳节点信息见表1。节点位于导管架底部主杆与撑杆相交节点处，节点形式如图2所示。

表1 低疲劳节点信息 mm

2.1 一次应力与二次应力

在断裂力学领域，节点受力划分为一次应力和二次应力。一次应力是能够引起材料塑性失效的力(如果其数值足够大)。这是相对于二次应力而言的，二次应力不会引起塑性失效。一次应力包括所有由于内压或外加载荷引起的应力，又分为薄膜应力和弯曲应力。二次应力一般包括温度应力和残余应力。二次应力为自平衡应力，即它的数值可以通过局部发生屈曲变形、进行热处理等方法来消除或变小。二次应力的一个显著特征就是它本身不会引起材料的塑性失效。

本文分析的导管架结构承受的一次应力选取在百年波流极限状态下杆件的受力情况作为分析工况。材料焊后的残余应力作为节点的二次应力，由于材料焊后未进行热处理，按照规范推荐原则将材料的屈服强度取作节点的二次应力。另外，由于结构的不连续性，在焊接位置容易出现应力集中，在分析中也考虑了应力集中的影响。

2.2 循环载荷

本文分析的导管架结构除承受静载荷外，还承受来自波流的循环载荷。分析中循环载荷数据来源于导管架结构分析软件SACS，软件的输出结果给出了在给定时间内某一应力幅值下对应的循环次数，可以用CrackWISE软件分析。表2给出了部分循环载荷。

2.3 材料断裂韧性

材料的断裂韧性对于疲劳裂纹的扩展影响很大，因此规范要求尽可能获得准确的断裂韧性数据。但是在无法直接获得材料断裂韧性数值的情况下，BS 7910也给出了利用夏比冲击功转化为断裂韧性的方法[3]。

表2 循环载荷

此平台于2005年投产，在原始建造资料中没有得到缺陷焊缝位置的断裂韧性数据，只得到了材料的夏比冲击功。规范中利用夏比冲击功转换为断裂韧性(Kmat)的方法如下：

断裂韧性下限值为

(4)

式中：Kmat为评估所得的断裂韧性；B为评估材料的厚度；CV为在服役温度下材料的夏比冲击功下限值。

断裂韧性上限值为

Kmat=0.54CV+55

(5)

在断裂韧性的选择上，选取焊缝金属和母材韧性的较小值作为评定位置的断裂韧性，见表3。

表3 材料的断裂韧性

2.4 缺陷尺寸

由于此平台在前期检测中未发现裂纹，因此在本评估中须对初始裂纹进行假定。一般来说，节点焊缝熔合线位置容易出现应力集中，这个位置受力复杂，并且容易出现焊接缺陷，是裂纹初始扩展最危险的情况。因此，本次评估首先假定初始裂纹位于熔合线处，裂纹类型为表面裂纹，初始裂纹尺寸的假定基于所采用的检测方法。

3 评定结果

对于在役的海洋石油平台或者其他钢结构，如果存在裂纹，须解决2个问题：(1)已存在的裂纹在当前静载荷条件下是否可接受，能够接受的极限裂纹尺寸是多少；(2)在静载荷和疲劳载荷的同时作用下，裂纹经过多长时间就达到寿命极限。

3.1 裂纹断裂评估

裂纹的断裂评估要解决的问题就是确定缺陷在百年极端波流条件下是否可接受，如果可以接受，能够接受的裂纹极限尺寸是多少。计算结果如图3所示。对于当前的裂纹尺寸，评定点位于评定曲线内，因此当前缺陷是可以接受的。对该位置的极限裂纹尺寸进行计算，裂纹极限尺寸结果如图4所示，可以看出：裂纹可接受极限尺寸的高度与长度呈反比关系，这个结果可以作为今后水下检测判定裂纹是否可接受的依据。

图3 裂纹是否可接受评估 图4 裂纹极限尺寸

图5 裂纹扩展FAD图

3.2 疲劳裂纹扩展分析

分析得知：在当前静载荷条件下，裂纹是可以接受的。对于平台低疲劳节点来说，在波流的循环载荷作用下，裂纹将逐渐扩展。对于整个平台来说，其寿命在很大程度上取决于这些关键节点的疲劳寿命，因此疲劳裂纹扩展分析对于确定关键节点的检测周期和平台的整体延寿有很大的帮助。

对于裂纹扩展来说，得到的评定点将不再是一个点，而是由若干点组成的轨迹，轨迹的最后一个点即为缺陷失效时的评定点，其他点对应的裂纹尺寸都是可以接受的，如图5所示。分析得知：裂纹在波流载荷作用下的疲劳寿命为16.64年。

对于平台上某些低疲劳节点，往往需要比较高的检测频率。传统分析结合基于风险的检测规划可以在一定程度上优化平台的检测周期，利用工程临界评估方法(Engineering Critical Assessment, ECA)方法可以进一步对检测规划进行优化。表4对比了按照传统分析方法和ECA分析方法对于指定节点的检测规划，可以看出：按照传统方法的计算结果，对于指定的疲劳节点在2017年-2022年5年间每年都须对该节点进行检测，但是采用ECA极限状态评估方法结合平台5年特检要求，只须在2017年和2022年检测就可以满足要求，较好地优化了平台关键节点的检测周期。

表4 检测规划对比

4 结 论

(1) 依据BS 7910: 2013标准，对于已出现的裂纹采用选择一的方法，确定其在已知载荷条件下是否可接受，以及可以接受的极限裂纹尺寸，其结果可以作为以后检测判定缺陷是否可接受的参考。

(2) 按照规范推荐的裂纹扩展速度以及裂纹扩展门槛值，计算在循坏载荷下裂纹扩展达到临界尺寸的时间，为优化检测计划和导管架整体延寿提供依据。

(3) 利用规范原则，通过夏比冲击功对材料的断裂韧性进行估算，为缺少裂纹尖端张开位移(CTOD值)的老结构设施进行断裂韧性评估提供一种途径。

[1] 国家经济贸易委员会. 海上固定平台安全规则[S]. 2000.

[2] 国家发展和改革委员会. 海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法工作应力设计法: SY/T 10030 [S]. 2004.

[3] BRITISH STANDARD. Guide to Method for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures : BS 7910: 2013 [S]. 2013.

[4] 卢华, 周雷, 王巍巍. RBI技术在导管架平台结构延寿中的应用[J]. 中国海洋平台, 2016(03): 60-65.