含裂纹钢悬链立管缺陷评估研究
摘要
随着我国对能源的需求日益增加，陆上油气资源逐渐枯竭，海洋中所蕴含的丰富油
气资源以及相关开采技术研究引起了学者们的广泛关注。钢悬链线立管作为海底开采系
统与海上平台相连接的管道运输结构，被大量投入在海洋油气资源的开采中。然而由制
造、安装以及服役环境的因素引起的管道初始裂纹缺陷对立管的安全运行带来了严峻挑
战，因此需要开展对含裂纹立管的缺陷评估研究。
目前管道缺陷评估研究主要针对陆地上埋深管道以及海底管道等单一受内压的管
道，对于受力情况复杂且裂纹形式多样的钢悬链线立管的缺陷评估缺乏针对性与实用性；
在研究立管环焊缝区域残余应力对裂纹的影响时往往只采用表面残余应力作为裂纹面
上的二次应力，跟实际管道环焊缝残余应力沿厚度分布不符，使得评估结果具有相当的
保守性。本文基于英国BS7910标准对钢悬链线立管的裂纹缺陷进行评估，通过
ORCAFLEX软件建立钢悬链线立管与平台的耦合模型，计算该模型在不同风暴工况下
的动力响应确定极端应力情况，研究轴向应力与环向应力随立管长度变化规律并作为有
限元计算的外部荷载，应用ABAQUS软件建立立管局部模型并引入轴向裂纹与环向裂
纹，分析当结构载荷、裂纹形状发生变化时裂纹应力强度因子的变化并对其进行了缺陷
评估；为研究残余应力对缺陷评估的影响，应用ABAQUS软件对管道进行焊接模拟，
提取了距焊缝中心不同位置沿管道壁厚分布的残余应力情况，作为二次应力施加在裂纹
面上，分析了距焊缝中心不同位置裂纹应力强度因子的变化情况并考虑了塑性因子后对
裂纹进行了缺陷评估；为研究立管不同区域出现的裂纹并发生疲劳扩展时的临界尺寸与
剩余使用寿命，采用雨流计数法基于ORCAFLEX中的损伤结算结果在风暴工况与长期
海况的风，浪，流环境下计算立管的交变应力，基于Pairs双线性公式与BS7910标准中
金属材料在海洋环境中的扩展速率参数对裂纹进行疲劳扩展分析并对不同初始深度裂
纹沿路径扩展情况进行了缺陷评估。
结果表明，基于相互作用积分法可有效地求解钢悬链线立管的裂纹应力强度因子，
裂纹的应力强度因子随着裂纹的形状变化而变化，立管悬挂段裂纹相比于触地段更加危
险，其中环向裂纹的评估结果相比于轴向裂纹更加危险；对于立管环焊缝，残余应力是
缺陷评估的主要影响因素，轴向裂纹比环向裂纹更危险，塑性因子的考虑使得整体评估
结果更接近失效评估线，并使得结构趋于脆性断裂；此外，当裂纹发生疲劳扩展时，触
地段为疲劳关键区，随着裂纹深度增加，轴向裂纹在残余应力的影响下使得结构趋于脆
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
性断裂；而环向裂纹达到一定深度后残余应力起到抑制作用，使得结构最终的失效模式
为疲劳断裂。
关键词：缺陷评估；钢悬链线立管；应力强度因子；残余应力；裂纹疲劳扩展
含裂纹钢悬链立管缺陷评估研究
ABSTRACT
Withtheincreasingdemandforenergy,duetothegradualexhaustionofonshoreoiland
gasresources,thedevelopmentofMarineresourceshasattractedtheattentionofscholars.Steel
catenaryriser(SCR),whichisconnectedwithsubmarineminingsystemandoffshoreplatform,
hasbeenwidelyused.However,theinitialcrackdefectscausedbyfactorsofmanufacturing,
installationandserviceenvironmentaretakenseverechallengestothesafeoperationofpipe,
soitisnecessarytocarryoutthedefectassessmentresearchonthecrackedriser.