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海上设施工程临界评估服务
新闻来源：中国船检
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黄磊 李红涛 2018-01-16
裂纹是焊接结构中不可避免的缺陷形式。随着海上设施服役时间的逐渐增加，检验中发现裂纹的几率也逐渐增长。对于缺陷构件尤其是水下结构的维修与更换，往往成本巨大，甚至难以实现。在当前常见的设计方法下，要求结构本身并不存在缺陷，在结构中检测到的裂纹应予以维修。
海上设施工程临界评估技术 (ECA) 基于“合于使用 (Fitness-for-purpose，FFP)”原则。“合于使用”原则承认结构具有构件形状、材料性能偏差和缺陷的可能性，但是在建立诸如应力分析、断裂力学、材料试验、质量检查、无损探伤等科学方法研究的基础上，客观地保证结构不发生任何已知机制的失效事故。对缺陷结构进行ECA评估，有效减小了不必要的返修，提高了生产效率，保障了平台的安全生产与运营。
海上设施工程临界评估技术研究带有缺陷结构的失效模式，引入应力场强度因子描述裂纹尖端的应力场分布。裂纹尖端附近区域内的某一点的位置一旦确定，该点处的应力、位移及应变便由一个参量唯一确定，该参量即定义为应力场强度因子。当应力场强度因子达到临界值时，材料将发生脆性起裂，该极限值为材料的固有特性断裂韧度。以应力场强度因子，以及随后发展CTOD（裂纹尖端张开位移）及J积分作为判据的断裂力学搭建了工程临界分析的理论基础。
工程临界评估常见的规范包括英国标准协会（BSI）发布的BS7910、美国石油学会（API）发布的API RP579以及英国中央电业管理局（CEGB）发布的R6等。对一个已知的具有裂纹的结构，评估通常包括断裂评估及疲劳评估。断裂评估研究构件能否抵抗已知载荷不发生断裂，疲劳评估研究结构在已知交变载荷下的裂纹扩展状况。
工程临界评估需要一套完整、详尽的评估参数。主要参数涉及到材料性能、无损检测（NDT）数据及应力三个主要方向。材料性能除钢材常规的屈服强度、抗拉强度及杨氏模量外，需要测定材料的断裂韧性。在数据不完整时断裂韧性可以由冲击试验数据做近似估算，但应注意由冲击功试验数据估算的断裂韧性会远远降低评估结果的精确性。因此对于在其服役周期有可能进行ECA评估需要的平台结构，应建议其在建造期间焊接工艺评定报告（WPQR）中增加断裂韧性试验。
NDT数据直接测量裂纹的当前状况，应保证选取足够精度的测量方法。NDT主要需确定裂纹的位置、方向、长度及深度。其中裂纹位置不但要测定其在结构上的位置，而且要明确其在厚度方向上的位置。对于同一区域出现多条裂纹的结构，应准确测量裂纹间的相对位置，以确定裂纹是否需要复合。对于已多次检验的裂纹，应提供完整的检验记录，对比裂纹扩展趋势。
应力数据主要包括主应力及二次应力。一般从设计文件中提取，但对于在役平台，设计文件中通常无法提供缺陷位置详尽的应力数据，需要对平台进行重新计算，分析缺陷位置的应力分布。二次应力主要包括焊接残余应力、温度应力等自平衡应力。
ECA评估主要输入参数见表1。
ECA评估能够分析在当前已知条件下结构能否继续安全服役，而不能用以预测结构的失效。对于评估失败的结构可以通过得到更详尽、准确的数据做进一步评估。
断裂分析可通过失效评定图法（FAD）或者裂纹驱动力法（CDF）评价。FAD法首先建立失效曲线，通过判断判别评估点与失效曲线的位置评价结构安全性。随载荷与裂纹尺寸的增长，评估点逐渐向失效曲线靠近。图2a是典型的基于FAD方法评价图。为更直观反映评价结果，可绘制临界裂纹长度与深度曲线，如图2b所示。CDF方法相对直观，其施加载荷与材料性能完全独立，分别确定裂纹尖端载荷与材料断裂能力，判别材料是否具有抵抗裂纹驱动力的能力。
(a) (b)
疲劳评估基于Paris公式，已知裂纹在特定的交变载荷幅值作用下扩展，直至断裂。与传统的S-N曲线法不同，ECA疲劳评估不必计算结构裂纹萌生、扩展至断裂的整体寿命，而可以计算特定时间内的裂纹扩展状况。这对移动平台、老龄平台具有重要的意义，此类平台在几年内即有进坞计划或者报废计划，通过进行详细的ECA评估，可制定合理的检验计划，而减少不必要的维修。
CCS提供的工程临界评估服务在海上设施建造、运营及检验领域具有广阔的应用前景，目前主要应用在建造期间焊后热处理免除、固定及移动平台运营检验及老龄平台延寿评估等方向，有效地降低平台运营成本，提升管理效率。
本文作者联系方式
黄磊 电话：022-62022888-1225
邮箱：l_huang@ccs.org.cn
李红涛 电话：022-66216618
邮箱：htli@ccs.org.cn
海上设施工程临界评估技术 (ECA) 基于“合于使用 (Fitness-for-purpose，FFP)”原则。“合于使用”原则承认结构具有构件形状、材料性能偏差和缺陷的可能性，但是在建立诸如应力分析、断裂力学、材料试验、质量检查、无损探伤等科学方法研究的基础上，客观地保证结构不发生任何已知机制的失效事故。对缺陷结构进行ECA评估，有效减小了不必要的返修，提高了生产效率，保障了平台的安全生产与运营。
海上设施工程临界评估技术研究带有缺陷结构的失效模式，引入应力场强度因子描述裂纹尖端的应力场分布。裂纹尖端附近区域内的某一点的位置一旦确定，该点处的应力、位移及应变便由一个参量唯一确定，该参量即定义为应力场强度因子。当应力场强度因子达到临界值时，材料将发生脆性起裂，该极限值为材料的固有特性断裂韧度。以应力场强度因子，以及随后发展CTOD（裂纹尖端张开位移）及J积分作为判据的断裂力学搭建了工程临界分析的理论基础。
工程临界评估常见的规范包括英国标准协会（BSI）发布的BS7910、美国石油学会（API）发布的API RP579以及英国中央电业管理局（CEGB）发布的R6等。对一个已知的具有裂纹的结构，评估通常包括断裂评估及疲劳评估。断裂评估研究构件能否抵抗已知载荷不发生断裂，疲劳评估研究结构在已知交变载荷下的裂纹扩展状况。
工程临界评估需要一套完整、详尽的评估参数。主要参数涉及到材料性能、无损检测（NDT）数据及应力三个主要方向。材料性能除钢材常规的屈服强度、抗拉强度及杨氏模量外，需要测定材料的断裂韧性。在数据不完整时断裂韧性可以由冲击试验数据做近似估算，但应注意由冲击功试验数据估算的断裂韧性会远远降低评估结果的精确性。因此对于在其服役周期有可能进行ECA评估需要的平台结构，应建议其在建造期间焊接工艺评定报告（WPQR）中增加断裂韧性试验。
NDT数据直接测量裂纹的当前状况，应保证选取足够精度的测量方法。NDT主要需确定裂纹的位置、方向、长度及深度。其中裂纹位置不但要测定其在结构上的位置，而且要明确其在厚度方向上的位置。对于同一区域出现多条裂纹的结构，应准确测量裂纹间的相对位置，以确定裂纹是否需要复合。对于已多次检验的裂纹，应提供完整的检验记录，对比裂纹扩展趋势。
应力数据主要包括主应力及二次应力。一般从设计文件中提取，但对于在役平台，设计文件中通常无法提供缺陷位置详尽的应力数据，需要对平台进行重新计算，分析缺陷位置的应力分布。二次应力主要包括焊接残余应力、温度应力等自平衡应力。
ECA评估主要输入参数见表1。
表1 ECA评估主要输入参数
ECA评估能够分析在当前已知条件下结构能否继续安全服役，而不能用以预测结构的失效。对于评估失败的结构可以通过得到更详尽、准确的数据做进一步评估。
断裂分析可通过失效评定图法（FAD）或者裂纹驱动力法（CDF）评价。FAD法首先建立失效曲线，通过判断判别评估点与失效曲线的位置评价结构安全性。随载荷与裂纹尺寸的增长，评估点逐渐向失效曲线靠近。图2a是典型的基于FAD方法评价图。为更直观反映评价结果，可绘制临界裂纹长度与深度曲线，如图2b所示。CDF方法相对直观，其施加载荷与材料性能完全独立，分别确定裂纹尖端载荷与材料断裂能力，判别材料是否具有抵抗裂纹驱动力的能力。
图2 断裂评估结果
疲劳评估基于Paris公式，已知裂纹在特定的交变载荷幅值作用下扩展，直至断裂。与传统的S-N曲线法不同，ECA疲劳评估不必计算结构裂纹萌生、扩展至断裂的整体寿命，而可以计算特定时间内的裂纹扩展状况。这对移动平台、老龄平台具有重要的意义，此类平台在几年内即有进坞计划或者报废计划，通过进行详细的ECA评估，可制定合理的检验计划，而减少不必要的维修。
图3 裂纹的疲劳扩展
CCS提供的工程临界评估服务在海上设施建造、运营及检验领域具有广阔的应用前景，目前主要应用在建造期间焊后热处理免除、固定及移动平台运营检验及老龄平台延寿评估等方向，有效地降低平台运营成本，提升管理效率。
本文作者联系方式
黄磊 电话：022-62022888-1225
邮箱：l_huang@ccs.org.cn
李红涛 电话：022-66216618
邮箱：htli@ccs.org.cn
