2024, Vol. 46
随着陆地资源的日渐枯竭，各国加快了对海洋资源的开发。其中，自升式钻井平台作为勘探海洋油气资源的重要装备，对其各部分结构的寿命研究显得尤为重要 [1]。目前平台主要由主船体、桩腿及升降结构组成，其主船体部分为一个水密结构，用来承载机械，实现钻井采油功能（见图1）。而平台桩腿多采用柱壳式结构，其作用是将船体抬升至海面上一定高度，使船体免受波浪载荷的作用。柱形壳桩腿所承受的外载荷主要为主船体对其施加的轴向压力，其主要失效模式为屈曲坍塌，并且受壁厚、几何缺陷及材料属性等影响。
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图 1 自升式海洋钻井平台 Fig. 1 Jack-up drilling platform |
圆柱壳桩腿的制作过程为先将板材卷成符合要求的曲面，然后通过焊接将板材对接处进行连接；对于尺寸更大的圆柱壳，则是按照上述步骤先焊接多个圆柱壳，随后通过周向焊缝连接这些圆柱壳 [2]。柱壳在长期的使用过程中，在海浪和季风的作用下不可避免的会出现裂纹等损伤，裂纹的出现将导致壳体产生应力集中，影响圆柱壳体局部刚度和强度，最终导致整体结构失效出现断裂现象。
Starnes等[3]对带有长纵向裂纹的未加筋铝圆柱薄壳在轴压作用下的屈曲载荷进行了分析和试验研究；Bardi等 [4 − 5]通过试验与理论分析对轴压下柱形管的屈曲性能进行研究；王登峰等 [6]针对带环焊缝缺陷的薄壁圆柱壳在整体和局部轴向压力共同作用下的稳定性进行非线性数值分析，并研究了圆柱壳的后屈曲性能；Babak等 [7]研究了单裂纹和多裂纹圆柱壳在轴压作用下的线性屈曲行为；Fan [8]对柱形壳临界载荷预测方法进行了研究。然而，有关柱形壳轴压屈曲中不同焊缝位置和焊缝焊趾处裂纹缺陷的研究报道极为有限。由于桩腿长年在海水中服役，受到海水腐蚀及洋流的作用，焊缝处易产生裂纹，导致局部屈曲，大幅降低了钻井平台的使用寿命。因此，对于含不同焊缝位置和裂纹缺陷的圆柱壳进行理论分析及试验研究十分必要。
本文对含有轴向焊缝和环向焊缝的圆柱壳进行试验研究，通过轴压试验进行非线性屈曲分析，研究焊缝位置对柱壳极限载荷的影响，在焊缝焊趾的位置添加穿透裂纹，与焊缝位置上无裂纹的柱壳进行对比分析，研究裂纹缺陷对圆柱壳体极限载荷的影响情况。研究结果可为自升式钻井平台桩腿设计提供理论依据。
1 试验模型设计和制造 1.1 圆柱壳结构自升式海洋钻井平台桩腿部分为圆柱壳结构。为了方便对平台桩腿进行屈曲行为研究，设计制作不同焊缝位置的圆柱壳模型。304不锈钢作为一种典型的低碳钢，选取其为圆柱壳的材料。含轴向焊缝和环向焊缝的圆柱壳结构如图2所示。其主要几何参数为柱壳外径D，壳体厚度t以及壳体高度L。定义x-y面为径向面，轴向为z轴方向。
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图 2 圆柱壳结构 Fig. 2 Cylindrical shell construction |
根据表1圆柱壳体的结构尺寸制造了8个模型进行实验。具体制造工艺为：先将板材卷成合适的曲面形状，再使用焊接把轴向接缝拼接起来；对于含有环向焊缝的圆柱壳体，通过焊接方法把2个圆柱壳体沿圆周方向进行连接。因为焊接后试件会出现长度方向误差，再把圆柱壳体工件进行平行度加工，实现精度为0.05 mm；再用激光打标机对焊缝焊趾位置预制一条10 mm长的穿透裂纹。圆柱壳模型尺寸参数见表1。性能参数见表2。
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表 1 圆柱壳试样 Tab.1 Cylindrical shell specimens |
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表 2 304不锈钢力学性能参数 Tab.2 Mechanical properties parameters of 304 stainless steel |
试验依据焊缝的方向与焊缝处有没有裂纹缺陷一共分为4组进行，每组设置2个试件，一共8个试件。将第1组包含轴向焊缝的试件起名为A1、A2，第2组含轴向焊缝穿透裂纹的试件命名为AJ1、AJ2，第3组含环向焊缝的试件命名为B1、B2，第4组含环向焊缝穿透裂纹的试件命名为BJ1、BJ2。8个试件模型如图3所示。焊缝焊趾处裂纹如图4所示。
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图 3 圆柱壳试验模型 Fig. 3 Cylindrical shell test model |
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图 4 焊缝焊趾裂纹局部图 Fig. 4 Local diagram of weld toe crack |
所制造的试验模型误差皆在可控范围内，制造过程具有良好的重复性和一致性。经过几何测量，将每一个加工的圆柱壳体放在万能压缩试验机上进行轴压实验测试。
试验采用的压缩试验机（型号：CMT-5305；最大载荷：300 kN；试验力测量范围：0.2%～100% FS；试验机分辨力：1/300 000 FS；有效压缩空间：800 mm；位移分辨力：0.015 μm；大变形分辨力：0.008 mm），将圆柱壳置于平台的中心位置，将上端压头缓慢下调，当圆柱壳与上端压头接触后，正式开始压缩试验。压缩速率为1 mm/min，将试验机连接到数据采集系统以记录压力值，图5为试验过程产生的变形情况。
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图 5 试验过程产生变形 Fig. 5 Deformation produced in the experiment |
每一个试验模型的破坏程度都会随着压力快速下降。试验后的圆柱壳如图6所示，记录试验件的压力曲线如图7所示。可知，随着时间的增加压力曲线呈上升趋势，在达到极限压力后曲线迅速下降。
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图 6 圆柱壳失效模式 Fig. 6 Failure mode of cylindrical shell |
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图 7 轴压试验压力曲线 Fig. 7 Axial compression test pressure curves |
将圆柱壳继续进行压缩，可发现屈曲发生时含轴向焊缝的圆柱壳一端会形成环状的鼓曲，而含有环向焊缝的圆柱壳体变形全都出于焊缝一侧的焊趾位置，并出现显著的凹陷情况，但是两壳体端部位没有发生明显的屈曲变形情况；对于含穿透裂纹的轴向焊接圆柱壳，其一侧端部和裂纹位置处均形成了环状的鼓曲，而含穿透裂纹的环向焊接圆柱壳，观察发现在焊缝表面裂纹处存在着明显凹陷现象，其余变形均发生于焊缝一侧的焊趾处。
3 分析与讨论 3.1 数值分析采用有限元软件Abaqus-FRANC3D进行联合仿真对含焊缝穿透裂纹圆柱壳进行非线性屈曲分析。参照表1尺寸参数建立圆柱壳数值模型。为得到焊接后柱形壳焊缝处残余应力，使用DFLUX子程序模拟焊接过程。然后将完整的有限元模型导入到FRANC3D中，对完整圆柱壳模型进行剖分，使其分为子模型及剩余模型两部分。利用FRANC3D软件将裂纹引入到剖分后的子模型相应位置处，随后对含裂纹的子模型进行网格重划分，网格类型为C3D10，数量为
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图 8 有限元模型 Fig. 8 Finite element model |
采用RIKS法求解含穿透裂纹圆柱壳的极限载荷，求解结果见表3，有限元计算结果与试验误差在10%以内。轴压后圆柱壳模型如图9所示，与试验结果基本一致。因此将以试验结果为主，分析焊缝位置及裂纹缺陷对圆柱壳极限载荷的影响。
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表 3 试件极限载荷 Tab.3 Critical load of specimen |
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图 9 圆柱壳失效模式 Fig. 9 Failure mode of cylindrical shell |
系统采集的数据为轴压试验进行时的位移-载荷数据，因此仅研究圆柱壳首次屈曲发生时的极限载荷，所以选取从试验开始直到柱壳发生屈曲时，位移载荷曲线发生下降的数据。将4组模型的试验结果进行求均值处理，得到极限载荷值如表3所示。
分别对含裂纹和无裂纹圆柱壳不同焊缝位置时的承载能力进行对比，分析焊缝位置对圆柱壳极限载荷的影响，结果如图10所示。
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图 10 不同焊缝位置圆柱壳体极限载荷大小 Fig. 10 Ultimate load of cylindrical shell at different weld positions |
可知，当轴向、环向焊接的圆柱壳均不含裂纹时，其极限荷载分别为134.8 kN、119.2 kN，环向焊缝的圆柱壳相对于轴向焊缝圆柱壳体的极限载荷降低了11.59%；当在2种焊缝位置均添加10 mm长裂纹时，轴向、环向焊接的圆柱壳极限荷载分别为126.1 kN、110.7 kN，对比发现，含环向的焊缝圆柱壳体比轴向焊缝圆柱壳体的极限载荷降低12.22%。说明在这一过程中，焊缝位置对圆柱壳极限荷载产生影响，且环向焊接的圆柱承载能力低于轴向焊接的圆柱壳。
3.3 裂纹缺陷对圆柱壳体极限载荷的影响分别对轴向焊接和环向焊接圆柱壳有无裂纹缺陷时的承载能力进行对比，分析裂纹缺陷对圆柱壳极限载荷的影响，结果如图11所示。
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图 11 含裂纹缺陷圆柱壳极限载荷 Fig. 11 Ultimate load of cracked cylindrical shell |
可知，当圆柱壳轴向焊接时，焊缝处含10 mm穿透裂纹和无裂纹缺陷的极限载荷分别为134.8 kN、126.1 kN，轴向焊缝处含裂纹缺陷相较于无裂纹缺陷的圆柱壳极限荷载降低6.48%；当圆柱壳环向焊接时，环向焊缝处含10 mm穿透裂纹和无裂纹缺陷的极限载荷分别为119.2 kN、110.7 kN，环向焊缝处含裂纹缺陷比无裂纹缺陷的圆柱壳极限荷载降低了7.15%。说明在这一过程中，裂纹缺陷对圆柱壳体的极限荷载能力产生了较大影响，其承载能力大约降低了7%。
4 结 语本文研究了圆柱壳焊缝位置、焊缝焊趾处裂纹缺陷等因素对圆柱壳屈曲和极限荷载产生的影响，研究结果可为自升式钻井平台桩腿设计提供理论依据。
1）无裂纹轴向焊缝的圆柱壳一端会形成环状的鼓曲，而无裂纹环向焊缝的圆柱壳变形全都发生在焊缝一侧的焊趾处，并出现了显著的凹陷现象，但圆柱壳体两端部位未发生明显的屈曲变形。
2）含穿透裂纹的轴向焊接圆柱壳，其一侧端部和裂纹位置处均形成了环状的鼓曲，而含穿透裂纹的环向焊接圆柱壳，在焊缝表面裂纹处出现了显著凹陷，其余变形发生在焊缝一侧的焊趾位置。
3）焊缝位置对圆柱壳极限荷载能力产生一定影响，含环向的焊缝圆柱壳体比轴向焊缝圆柱壳体的极限载荷降低了12.22%。
4）裂纹缺陷会对圆柱壳的极限荷载产生影响，其承载能力降低了7%左右，并且裂纹缺陷的存在对圆柱壳体极限荷载的影响远远低于焊缝位置的影响。
5）本文仅研究了焊缝位置和焊缝焊趾位置裂纹缺陷的影响，其裂纹扩展未考虑，当裂纹达到一定程度对平台桩腿承压能力产生的影响需要进一步考虑。
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