论平台疲劳裂纹检测技术

论平台疲劳裂纹检测技术

戚文阳

戚文阳

中海石油技术检测有限公司天津300452

摘要：本文从海洋石油生产的角度对海洋石油平台结构件进行了分类，并根据现场实际情况对在投运过程中产生的裂纹进行了分析，最终归纳了平台裂纹的检测技术。

关键词：平台；裂纹检测；残余应力；检测

1引言

海上石油设施一般分为生产设施和作业设施。海洋石油生产设施包括以开采海洋石油为目的的海上固定平台、单点系泊、浮式生产储油装置、海底管线、海上输油码头、滩海陆岸、人工岛和陆岸终端等海上和陆岸结构物；而海洋石油平台多数采用导管架式，作为海洋石油油田生产的重要承载设施，在海洋石油生产过程中起着不可缺少的作用，本文主要对导管架平台在生产过程中产生的裂纹进行分析，并提出检测技术。

2平台结构件分类

海上设施结构构件类型根据其应力状况和破坏造成的后果，分为三大类：特殊构件、主要构件和次要构件。特殊构件是对结构整体最为重要的构件。该类构件可能出现在应力高度集中或易导致在厚度方向的层状撕裂的部位。主要包括：导管架的节点管段，导管架桩、腿柱的连接，导管架桩、甲板立柱的连接，甲板构架和甲板立柱的连接，重要主梁的交叉连接，起重机基座；主要构件是对结构整体重要的构件以及对作业安全很重要的其他构件，主要包括：导管架腿柱、桩柱、主要支撑、甲板主梁、甲板主桁架、立管的支撑结构、直升机甲板骨架、组块的支承结构；次要构件是除特殊构件和主要构件以外的其他构件。

图1某平台桩腿皇冠帽裂纹

3疲劳裂纹产生

海洋平台作为进行海上石油钻井与开采的一种重要海洋工程结构，长期服役在恶劣的海洋环境中，承受着波浪等交变载荷的作用，疲劳破坏是其主要的失效形式。导管架式是海洋平台的主要结构形式，管节点是导管架结构的重要部位，由于初始焊接缺陷，特别是高的应力集中部位，容易发生疲劳破坏，出现结构裂纹。另外，由于平台设施设备本身的震动，也容易在受力集中部位造成结构裂纹的发生。

在工程中影响疲劳裂纹的因素包括：残余应力、超载荷、加载频率、腐蚀环境、温度等。

当材料受到小于屈服强度的交变应力时，会产生疲劳问题[1]，即在疲劳源附近，发生裂纹的萌生和扩展，随着裂纹的扩大，结构最后发生断裂。裂纹产生和扩展是由局部应力集中产生的，对于表面裂纹，可尽量磨光表面，减少初始疲劳源[2]。对于内部的，应该注重材料性能，减少夹杂、松孔。也可以利用一些热处理，减小材料内部的残余应力或不均匀力等，或改变局部的硬度。

载荷形式(弯曲、轴向或扭转)对疲劳强度有一定影响[3]。在应力幅度相同时，弯曲疲劳的寿命大于轴向疲劳寿命；在给定的疲劳寿命时，轴向疲劳应力幅度小于弯曲疲劳的应力幅度，这种现象在高应力低周疲劳中更加明显。

图2某平台桩腿皇冠帽裂纹

4裂纹检测技术

结构检验一般可分为第一类检验、第二类检验、第三类检验三种检验类型；第一类检验指一般性外观检验，其目的是发现明显的表面损伤。主要检验内容包括：撑杆上的凹坑及其变形，涂层损坏等；表面重大缺陷或裂纹等；腐蚀严重，牺牲阳极与结构连接松动，牺牲阳极丢失等；立管、隔水套管与导管架的紧固情况，夹具有无松动或丢失，立管与桩腿间的距离等。第二类检验指近观检验，其目的是发现较为隐蔽的表面损伤。一般在第一类检验的基础上进行的更进一步仔细的、近距离的外观检验。主要检验内容包括：损坏部位的检查及损坏尺寸测量，腐蚀部位面积测量、海生物测厚；飞溅区内涂层腐蚀和裂纹检查等。第三类检验指近观检验加无损探伤方法，其目的是发现较为隐蔽的表面损伤和内部缺陷。该类检验是从关键部位、构件中确定某些部分或为进一步确定缺陷的性质而进行的检验。对于一些承受高应力以及疲劳效应较大的或受外力损伤的部位，要进行全面的无损探伤。

目前针对导管架结构疲劳裂纹的检测方法主要有磁粉检测、残余应力检测、ACFM检测等。磁粉检测，是检测铁磁性材料表面裂纹的首选，这种检测方法灵敏度高，操作方便，海洋石油平台运用磁粉检测导管架结构裂纹已经取得了很好的效果，为海洋石油平台的安全服役排除隐患，但是海洋结构使用磁粉检测技术对裂纹进行检测之前需要将结构件检测部位的表面涂层打磨去除，检验完成后还需要将表面涂层恢复；残余应力检测主要是对结构应力集中部位进行检测，确定怀疑应力集中部位的应力值，为后期结构检测监测提供依据；ACFM检测方法可用于检测金属材料焊缝表面或近表面的裂纹和其他线性不连续，其灵敏度对于表面不连续为最大，并随着不连续距离表面深度的增大而迅速减小，本技术的原理是通过手持探头中的磁轭向金属表面导入一个交流磁场，并在金属中产生均匀的交流电流。这电流的透入深度随金属类型和磁场频率不同而变化。表面、近表面的不连续对这电流流动的妨碍或干扰使得由探头中线圈检测到的表面磁场产生变化。此种检验方法在海洋石油平台结构上的应用优势就是不需要将结构件表面的涂层打磨恢复。

5总结

随着海洋石油的不断开发，海洋石油平台越来越多，及时发现裂纹等缺陷对海洋石油平台的安全服役及工作人员安全尤为重要。海洋石油平台的检测是一种手段，更为重要的是应该加强平台安全评估技术研究，借助先进的大数据、云计算等技术进行评估预测，在缺陷萌生阶段发现并采取有效措施进行维修改进，保障平台安全服役。

参考文献

[1]李树棋，谢锡善.GH169合金显微组织对合金裂纹扩展速率的影响[J]。《材料工程》，1985(5):26一27

[2]XueHongjun(薛红军)，Lugouzhi(吕国志).随机因素对疲劳裂纹扩展分散性影响的探讨[J].《机械强度)》，2001，23(1):35-37；

[3]HardtS,MaierHJ,ChristHJ.InterationalJournalofFatigue[J],1999,21:779