海洋管道卷管式铺设断裂评估方法研究

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1、ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５士学位论文ｊ一级学科材料科学与工程：学科专业：材料加工工程作者姓名：贾鹏宇指导教师：荆洪阳教授天津大学研究生院２０１７年５月天津大学博士学位论文海洋管道卷管式铺设断裂评估方法研究Investigationonfractureassessmentmethodsforreeledoffshorepipelines（国家自然科学基金资助项目）（项目编号：51575328）（申请博士学位）一级学科：材料科学与工程学科专业：材料

2、加工工程研究生：贾鹏宇指导教师：荆洪阳教授天津大学材料科学与工程学院二零一七年五月中文摘要卷管式铺设是最为经济、高效的海洋管道铺设方法，但是卷管式铺设的主要缺点是，在铺设过程中，管道不可避免的发生1-3%塑性应变；由于地质运动，服役管道也不可避免的会经受大的塑性应变。由于管段通过环焊缝进行连接，焊缝中会出现裂纹、未熔合等焊接缺陷。为避免管道在安装、服役阶段发生断裂失效，必须进行断裂评估。针对评估标准中的不足，论文的内容主要集中在两个方面：大变形管道中环向裂纹的裂纹扩展驱动力估算；焊缝金属的裂纹扩展阻力曲线测试。提出了修正的参考应变法，此法将

3、以应变为基础的失效评定图法的应用范围扩展到卷管铺设过程中含较深环向表面裂纹管道的断裂评估。与其他因素相比，裂纹深度、裂纹长度、屈强比对参考应变的影响较为显著，因此，将参考应变定义为裂纹深度、裂纹长度、屈强比的函数，提出了参考应变的计算公式。并且，进一步证明了使用此经验公式用于卷管铺设过程中管道的断裂评估是保守的。为对大变形服役管道中环向表面裂纹进行断裂评估，基于VonMises屈服准则，对只承受轴向拉伸载荷的含环向表面裂纹管道的Kastner极限载荷解进行了修正，使修正的Kastner解适用于大变形服役管道的断裂评估。为进一步提高断裂评估的

4、准确程度，采用了优化的参考应力法对修正的Kastner解进行了优化，给出了无量纲参数γ的计算公式。三维有限元分析的结果表明，将表面裂纹的断裂评估结果应用于深埋埋藏裂纹的评估是过于保守的，为降低评估的保守程度，引入了调整参数F。由于深埋埋藏裂纹高度(2ae/t),对F影响显著，假定其为的2ae/t函数。当引入参数F后，深埋埋藏裂纹的裂纹尖端拘束仍然低于表面裂纹的裂纹尖端拘束，进一步证明了参数F的有效性。为保证冶金复合管或机械复合管中环焊缝的耐蚀性，通常使用Ni基合金作为填充材料，导致焊缝金属的屈服强度低于母材的屈服强度。为测试低强匹配焊缝金属

5、的断裂韧度，基于平面应变有限元分析，通过变化夹持加载和销钉加载单边缺口拉伸试样的裂纹深度、焊缝金属强度匹配水平，计算了不同单边缺口拉伸试样的塑性η因子，给出了塑性η因子的计算公式。最后，给出了大变形管道中环向裂纹的断裂评估流程。关键词：大变形管道断裂评估表面裂纹埋藏裂纹塑性η因子ABSTRACTReel-layisanefficientandeconomicmethodtoinstalloffshorepipelines,butitsmaindisadvantageisthatpipelinematerialundergoesgreatpl

6、asticstrainduringinstallation,about1%-3%.Duetoseismicactivities,in-servicepipelinesarealsosubjectedtogreatplasticstrainduringoperation.Asaresultofthepipelinesbeingconstructedbythegirthweldingmethod,flaws,suchascracksandlackofpenetration,maybeintroducedintowelds.Fractureass

7、essmentmustbeconductedtoavoidfracturefailureofgirthweldsduringinstallationandoperationofoffshorepipelines.Themaincontentsofthethesisfocusontheestimationofcrackdrivingforceofcircumferentialcracksandmeasurementofresistancecurveofweldmetals.Amodifiedreferencestrainmethodwaspr

8、oposedinthethesis.Themethodextendstheapplicationrangeofthestrain-basedfailureassessmentdi