有关海洋立管焊接接头的断裂参量j积分研究

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1、北京石油化工学院学报第21卷第3期Vo1．21NO．3JournalofBeijingInstituteof2013年9月Sep．2013Petro—chemicalTechnology海洋立管焊接接头的断裂参量J积分研究孙涛，吕涛，肖云峰，张志莲。(1．北京化工大学，北京100029；2．北京石油化工学院，北京102617)摘要：针对深水海洋立管的特点，采用弹塑性有限元计算方法，对裂纹深度、长度、管道径厚比等因素对海洋立管断裂参量‘，积分的影响进行了研究，并在此基础上分析不同焊接接头组配在加载过程中的断裂性能。结果表明，焊接接头．，积分值与全母材是有所差异的

2、。因此，在海洋立管焊接结构安全评定中，除考虑不同裂纹深度、长度、管道径厚比对海洋立管的影响外，还必须考虑焊缝组配对焊接接头断裂参量的影响。关键词：海洋立管；裂纹；断裂；J积分；数值模拟中图分类号：TG457．1文献标志码：A海洋立管是海面平台与海底井口之间的主分析。要连接件，如图1所示。作为海面与海底的一种联系通道，在能源输送过程中起着十分重要的作用。国内外绝大多数石油、天然气都通过管道运输]，现代石油管道向着大口径、高压储输及厚壁化的方向发展，随着深海油气田的开发，对输送管道的断裂性能要求越来越高。海洋立管作为一种典型的焊接结构，其焊接过程常常使焊接接头的组

3、织性能劣化产生缺陷]。而焊接缺陷处有较大的应力集中，在使用过程中往往成为萌生裂纹的源头，而管道一旦从焊图1深海油气平台立管系统接接头处发生断裂，裂纹扩展所需能量很小，裂纹扩展速度极快，极易造成突发性和灾难性后1J积分计算式果。因此，焊接接头是管道系统的薄弱环节，对其强度、寿命和安全可靠性进行评定，保证管道管道由于弹性应变微乎其微，尤其是在裂安全可靠的使用具有重要的现实意义j。纹尖端环形区域。裂纹的-，积分表达式为l_6j：当海洋平台或船舶在波浪作用下发生运动^J一bhl(aft，D／t，0，)()(1)时，立管会受到较大的弯矩作用。针对大弯矩』y』0对深水海洋

4、立管的影响，笔者选用离散实体结其中，De是管道的外径，t为壁厚，M表示所施构的有限元法进行计算，并基于商用软件加的弯矩，Mo表示极限弯矩，s为屈服应变，aABAQus展开，选择-，积分作为裂纹断裂参为Romberg—Osgood模型的无量纲参数，为量，对裂纹深度、长度、管道径厚比和焊接组配应变硬化指数，矗为施加载荷下的J积分无量问题对海洋立管焊接接头断裂参量的影响进行纲比例参量，n为裂纹深度，未开裂的部分是6一t—a，表面裂纹的长度通过角度0来表收稿日期：2013-O107示L7](见图2)：作者简介：孙涛(1987一)，硕士研究生，研究方向为焊接结构力学分析

5、，E—mail：suntao2010@bipt．edu．cn。6北京石油化工学院学报2013年第21卷变化的关系以及在2种材料参数下的变化关材的形式。焊缝深度是力学性能不均匀性的重系。log(M／M。)一0(即M=M。)的点对应立管要参数之一，采用ABAQUS分别计算了不同的极限弯矩。裂纹深度时的．，积分，比较结果分别如图4、图3．1裂纹深度对J积分的影响5所示。首先不考虑组配对J积分的影响，即全母log(MIMo)log(MlMo)(a)8／~=0．04(b)8／n=O．20图4De~t=10立管模型不同裂纹深度下积分与弯矩载荷的关系7654_宝321O-0

6、log(M／Mo)(b]0／n=0．20图5De~t=20立管模型不同裂纹深度下．，积分与弯矩载荷的关系由图4、图5可以看出，立管试样在裂纹长另外，当载荷比较高，即M>M。(1og(M／Mo)度、焊缝宽度和强度组配一定时，同一载荷水平>O)时，焊缝深度越大，J积分曲线形状张开也下，随着裂纹深度的增加，J积分值逐渐增大。越大。且裂纹深度越深，增大的趋势越明显。这说明3．2裂纹长度对J积分的影响裂纹越深，海洋立管更容易发生塑性变形而断采用ABAQUS分别模拟计算了不同裂纹裂失效。长度时的‘，积分，比较结果如图6、图7所示。De~t=10管道模型可以看出，对于所有分

7、由图6、图7可以看出，裂纹深度一定时，析的情况下，整个范围内logJ随log(M／Mo)随裂纹长度的增加，J积分同样有增大趋势，长的增长呈线性增长趋势；De／t一20管道模型可度越大，增大的幅度越大。De／t一10管道模型以看出，logJ随着载荷log(M／Mo)的增加而的分析结果可以看出，整个范围内logJ随log增大，当载荷较低时，即MM0(1og(M／Mo)>0)J积分的值

8、随着载荷比log(M／Mo)的增加而时