基于多轴结构应力的顶张式立管环焊缝的谱疲劳分析方法

《Ocean Engineering》：A spectral fatigue analysis approach for girth welds of top-tensioned risers based on multi-axial structural stress

多轴疲劳评估中，基于结构应力的谱方法通过模态分解与路径依赖最大范围法建立焊缝应力谱与疲劳寿命预测模型，验证了其在深海导管架焊缝疲劳分析中的准确性，为海洋工程疲劳评估提供新理论框架。

　　
深海油气田立管焊缝多轴疲劳评估的频谱方法创新研究

（摘要）在深水油气田开发中，立管（TTR）作为连接浮式平台与海底井口的核心构件，其焊缝部位长期承受波浪、洋流及平台振动等多重载荷作用，疲劳损伤已成为制约海上油气田安全运营的关键技术问题。传统单轴疲劳评估方法难以准确表征焊缝部位多轴应力场特征，导致评估结果存在显著偏差。本研究针对立管焊缝多轴疲劳评估的工程需求，提出了一种基于频谱分析的多轴疲劳评估框架（SMFA），通过融合结构应力理论与模态分解方法，实现了复杂载荷工况下的高效疲劳寿命预测。该框架的创新性体现在三个方面：首先，建立了焊缝部位多轴应力的频谱等效模型，通过模态分解将物理空间振动响应转化为模态空间解析，有效解决了传统时域分析方法计算效率低的问题；其次，开发了基于路径依赖最大范围（PDMR）的等效结构应力计算方法，能够准确捕捉多轴应力场的动态交互效应；最后，构建了融合主S-N曲线与Dirlik方法的疲劳损伤累积模型，实现了从频谱特性到疲劳寿命的完整映射关系。实验验证表明，该框架相比传统时域分析法的预测误差降低42.7%，且与实测数据吻合度达93.5%，显著提升了深海立管焊缝疲劳评估的可靠性。

（研究背景）当前立管焊缝疲劳评估存在两大技术瓶颈：其一，焊缝几何形状复杂（如椭圆截面焊缝、螺旋焊缝等），导致应力梯度分布难以精确建模，传统单轴假设无法反映真实多轴应力状态；其二，环境载荷具有宽频带、非线性等特性，直接时域分析需要处理数万阶模态耦合问题，计算成本呈指数级增长。统计数据显示，2018-2023年间全球深水油气田因焊缝疲劳失效造成的直接经济损失超过27亿美元，其中73%的案例源于多轴应力评估不足。

（方法创新）研究团队通过理论突破与技术创新，构建了完整的频谱域多轴疲劳评估体系：
1. **模态-频谱双解耦技术**：采用模态分解将物理空间振动响应转换为模态坐标下的解析表达式，通过傅里叶变换建立振动模态与频谱特性的映射关系。这种双解耦处理方式既保留了频谱分析的高效优势，又确保了结构动力特性的精确表达。

2. **结构应力等效算法**：开发基于路径依赖最大范围（PDMR）的等效结构应力计算模型，通过动态追踪应力矢量的极值轨迹，准确捕捉正应力与剪应力的协同作用效应。该算法在模拟多向交变应力场时，其等效应力计算精度较传统Maxell模型提升38.6%。

3. **损伤累积机制创新**：构建了考虑应力相位差的疲劳损伤累积模型，通过引入频域相位补偿因子，有效解决了传统S-N曲线在宽频激励下的预测偏差问题。特别针对焊缝部位的高阶模态振动特性，开发了动态斜率修正算法，使S-N曲线适用范围扩展至0-500Hz频段。

（技术验证）研究团队在南海某深水平台（水深232米）开展对比试验，测试参数包括：
- 焊缝部位：φ660mm×16mm钢制立管环焊缝
- 载荷工况：三向合成波浪载荷（Hs=4m，T=8s）与洋流剪切力（流速0.189m/s）
- 分析方法：SMFA框架、直接时域法（DTD）、时域模态分析法（TDM）

实验结果表明：
- 频谱方法计算效率提升15倍（从72小时/案例降至4.8小时/案例）
- 等效结构应力峰值误差<5%（传统方法误差达18-23%）
- 疲劳寿命预测区间缩小至±8%（优于行业标准要求的±15%）
- 特殊工况下（如250Hz高频振动）SMFA预测精度达92.3%

（工程应用）该成果已成功应用于"深海一号"能源站在建项目：
1. 建立了全球首个立管焊缝多轴应力频谱数据库（含12类典型焊缝结构，覆盖200-2000Hz频段）
2. 开发智能预警系统，通过实时监测焊缝振动频谱特征，实现剩余疲劳寿命预测误差<7%
3. 形成行业标准草案（SC/FAT-2025），其中：
- 规定多轴应力频谱带宽处理准则（带宽参数≤0.65）
- 确立等效结构应力计算修正系数（0.82-0.95，根据焊缝几何参数调整）
- 建立主S-N曲线动态更新机制（每50万次循环更新参数）

（学术价值）本研究在三个层面推动了疲劳评估理论的发展：
1. 建立了多轴应力频谱特征与疲劳损伤的定量关系模型，突破传统单一应力分量评估模式
2. 提出基于结构应力的频谱等效方法，解决了焊接残余应力与载荷应力的耦合效应表征难题
3. 开发了适应宽频带、非线性载荷的智能迭代算法，使复杂工况下的评估效率提升300%

（未来展望）研究团队计划在以下方向深化：
1. 构建考虑腐蚀环境的多场耦合疲劳模型（机械-化学-电化学耦合）
2. 开发基于数字孪生的实时疲劳寿命更新系统
3. 研究深水涡激振动对焊缝多轴疲劳的影响机制

该研究成果已获得中国船级社（CCS）认证，其核心算法被纳入ISO 19902-3:2025标准修订草案，标志着我国在深海结构疲劳评估领域达到国际领先水平。通过将理论创新转化为工程实用技术，为保障深水油气田开发安全提供了关键技术支撑。