2019工程臨界評定技術(shù)服務指南

工程臨界評定技術(shù)服務指南2019目錄第1章通則 1第1節(jié)一般要求 1第2節(jié)接受標準 1第3節(jié)定義和符號 1第2章缺陷的表征 4第1節(jié)缺陷類型 4第2節(jié)缺陷表征尺寸定義 4第3節(jié)缺陷的檢測與合并 5第3章海洋工程結(jié)構(gòu)物評定應力 7第1節(jié)應力線性化 7第2節(jié)主應力 8第3節(jié)二次應力 9第4章材料性能 11第1節(jié)斷裂韌性 11第2節(jié)拉伸特性 11第5章斷裂失效評定 13第1節(jié)評定流程 13第2節(jié)失效評定圖 13第3節(jié)斷裂比 15第4節(jié)載荷比 15第6章疲勞失效評定 16第1節(jié)評定方法 16第2節(jié)評定流程 16第3節(jié)疲勞擴展速率系數(shù) 16附錄A評定參量確定 18應力強度因子計算 18參考應力計算 22iPAGEPAGE1011本指南是中國船級社（CCS）程臨界評定技術(shù)服務的推薦作法。本指南的使用應以相應設施規(guī)范、標準的要求為前提，包括海上固定平臺、移動平臺和海底管道等。本指南提供了海上固定平臺、移動平臺和海底管道評定載荷和工況的建議，其他設施應依據(jù)其設施類型及作業(yè)環(huán)境，確定相應的評定載荷和工況。CCS對外提供工程臨界評定技術(shù)服務的依據(jù)。特殊類型和采用新穎結(jié)構(gòu)型式或材料的工程臨界評定應另行考慮，并CCS同意。第2節(jié)接受標準1.2.1本指南接受的主要標準如下：BS7910《Guidetomethodsforassessingtheacceptabilityofflawsinmetallicstructures》APIRP2AWSD《Planning,Designing,andConstructingFixedOffshorePlatforms—WorkingStressDesign》ISO19902《Petroleumandnaturalgasindustries--Fixedsteeloffshorestructures》第3節(jié)定義和符號定義工程臨界評定工程臨界評定（EngineeringCriticalAssessent,用”的原則，對有焊接缺陷的結(jié)構(gòu)進行斷裂和疲勞失效評定。斷裂失效評定采用斷裂力學的方法，評價含缺陷海洋工程結(jié)構(gòu)物能否排除斷裂失效的安全評定。疲勞失效評定評價含缺陷海洋工程結(jié)構(gòu)物在預期疲勞載荷的作用下，在所要求的繼續(xù)使用期內(nèi)能否排除疲勞失效的安全評定。帕里斯定律（Parisla的關(guān)系。失效評定圖方法（FailureAssessment通過判別評定點與失效曲線的位置評價結(jié)構(gòu)安全性。裂紋驅(qū)動力方法基于裂紋驅(qū)動力（CrackDrivingForce，簡稱CDF）的斷裂評定方法，分別確定裂紋尖端載荷與材料斷裂能力判別材料是否具有抵抗裂紋驅(qū)動力的能力。符號本指南所用的符號含義如下：A疲勞缺陷增長關(guān)系常數(shù)a表征裂紋尺寸，貫穿裂紋的半長度，表面裂紋深度，埋藏裂紋半深度，mmB缺陷所在截面厚度，mmc表面或埋藏缺陷的半長度，mmE評定溫度下的材料彈性模量，MPaJmatJ積分方法測定材料斷裂韌度，N/mmKmat應力強度因子方法測定材料斷裂韌度，N/mm3/2Kr斷裂比，施加載荷作用下的應力強度因子與以應力強度因子表示的材料斷裂韌度的比值Lr載荷比，施加載荷與屈服強度的比值m疲勞缺陷增長關(guān)系常數(shù)Pb主彎曲應力，MPaPm主膜應力，MPaQb二次彎曲應力，MPaQm二次膜應力，MPaK應力強度因子變化幅度，N/mm3/2K0應力強度因子變化范圍門檻值，N/mm3/2Qb二次彎曲應力幅值，MPaQm二次膜應力幅值，MPamatCTOD方法測定材料斷裂韌度，mm泊松比U抗拉強度，MPaY屈服強度或0.2%規(guī)定非比例延伸強度，MPa2章缺陷的表征第1節(jié)缺陷類型海洋工程結(jié)構(gòu)物中常見缺陷通常包括平面缺陷（裂紋、未熔合、未焊透等）及體積缺陷（凹坑、氣孔、夾渣等。本指南方法的評定參數(shù)針對裂紋缺陷，對于其他型式的缺陷，可采用陷和貫穿缺陷。第2節(jié)缺陷表征尺寸定義評定時，一般對實測的缺陷進行規(guī)則化表征處理。缺陷表征尺寸應由缺陷外接矩形的長度和高度來確定。2.2.2所示。表2.2.2缺陷表征尺寸定義缺陷位置高度長度圖示表面缺陷a2c埋藏缺陷2a2c貫穿缺陷2a-第3節(jié)缺陷的檢測與合并缺陷檢測應根據(jù)評定要求，對缺陷進行全面檢測，確保檢測結(jié)果準確、真實、可靠。如適用，應考慮以下因素對缺陷的影響：地形、地貌的變化，如懸空、淘蝕；結(jié)構(gòu)自身的變化，如減薄、屈曲、變形；超出設計條件的極端天氣的出現(xiàn)；設計變更和現(xiàn)場改造的影響。缺陷合并當兩個缺陷或多個缺陷相鄰時，應考慮缺陷之間的相互影響。缺陷合并應按表2.3.2進行：表2.3.2缺陷合并準則缺陷類型合并原則合并后等效尺寸（1）表面缺陷s2c1,當a1/c1或a2/c21s0.5a2},當 /及 或a2/c21(c1c2)amax{a1,a2}2c2c12c2s（厚度方向sa1a22a2a12a2s2cmax{2c1,2c2}（長度方向s2c1,當a1/c1或a2/c21smax{a1,a2},當a1/c1及或a2/c212amax{2a1,2a2}2c2c12c2s(c1c2)（4）表面與埋藏缺陷（厚度方向）sa1a2a2a1a2s2cmax{2c1,2c2}（5）埋藏缺陷（厚度與長度方向）s1max{a1,a2},當a1/c1及a2/c21,當/a2/c21及s2a1a2(c1c2)2c2c22a2a12a2s2（6）表面與埋藏缺陷（厚度與長度方向）s12c1,當a1/c1或a2/c21s1max{a1,a2},當a1/c1及a2/c21及s2a1a2(c1c2)aa12a2s22c2c12c2s13章海洋工程結(jié)構(gòu)物評定應力第1節(jié)應力線性化海洋工程結(jié)構(gòu)物評定應力包括主應力及二次應力。對于沿厚度方向分（或深實際應力值的原則。斷裂評定可將應力按下式分解薄膜應力及彎曲應力分量：,Qm,Qb

12122

（1）（2）疲勞評定將應力可按下式分解薄膜應力及彎曲應力分量：m

12

（3）b

12

（4）3.1.3（1）3.1.3（2）3.1.3（3）3.1.3（4）第2節(jié)主應力計算主應力時應假設結(jié)構(gòu)中不包括缺陷。固定平臺、移動平臺及海底管道主應力計算工況，應分別滿足3.2.3~3.2.5的要求。固定平臺載荷主要包括：固定載荷，包括平臺結(jié)構(gòu)的重量和在某種作業(yè)形式下不變化的任何永久設備和附屬結(jié)構(gòu)的重量；活載荷，在平臺服役期間作用在其上面的發(fā)生變化的載荷；環(huán)境載荷，包括風、流、波浪、地震、雪、冰和土壤移動等自然現(xiàn)象組合選擇工況組合；安裝載荷（如適用，考慮由裝船、運輸和安裝所產(chǎn)生的載荷；（如適用在平臺上的載荷。移動平臺載荷（重力及功能載荷和有關(guān)的環(huán)境載荷究平臺在遷移、作業(yè)、自存等設計工況下的運動響應和載荷。業(yè)主/設計者應規(guī)定作為設計基礎(chǔ)的各設計工況和相應的環(huán)境條件：環(huán)境載荷，系指直接或間接由環(huán)境作用引起的載荷，包括由環(huán)境載荷要時應通過數(shù)值模擬計算或物理模型試驗來確定；重力及功能載荷，系指在靜水條件下由平臺重量、使用及作業(yè)引起的載荷。海底管道載荷海底管道工程臨界評定應考慮在評定周期內(nèi)由于安裝及服役可能承受的全部載荷，主要包括：功能載荷，管道因自存和使用產(chǎn)生的載荷，包括自重、壓力、靜水壓力及安裝載荷等；環(huán)境載荷，包括風載荷、波浪及流載荷等；意外載荷，非正常工況下產(chǎn)生的載荷，典型意外工況包括極端波浪及流載荷、落物、船舶碰撞、爆炸等。第3節(jié)二次應力二次應力為結(jié)構(gòu)內(nèi)自平衡應力，主要包括焊接殘余應力及溫度應力。焊接殘余應力焊態(tài)結(jié)構(gòu)對于具有位于平行于焊縫方向平面內(nèi)缺陷的焊接結(jié)構(gòu)，殘余應力可按焊材或母材室溫下屈服強度之小者進行評定；對于具有位于垂直于焊縫方向平面內(nèi)缺陷的焊接結(jié)構(gòu)，殘余應力可按母材，則按焊材或母材室溫下屈服強度之大者進行評定。焊后熱處理結(jié)構(gòu)CCS《材料與焊接規(guī)范》要求；對于經(jīng)過焊后熱處理的結(jié)構(gòu)，殘余應力通常不能完全消除。焊后熱處理后殘余應力殘留的程度應基于對焊縫及母材試件進行實測確定；當實測數(shù)據(jù)不可用時，經(jīng)爐內(nèi)整體消除殘余應力退火熱處理的焊接結(jié)構(gòu)殘余應力可按如下規(guī)則確定：580620℃的焊接結(jié)構(gòu)：對于平行焊縫方向平面內(nèi)的缺陷（應力垂直于焊縫，殘余應力可按焊材或20%進行評定；對于垂直焊縫方向平面內(nèi)的缺陷（應力平行于焊縫，殘余應力可按缺陷所30%30%進行評定。550580℃的焊接結(jié)構(gòu)：對于平行焊縫方向平面內(nèi)的缺陷（應力垂直于焊縫，殘余應力可按焊材或20%進行評定；對于垂直焊縫方向平面內(nèi)的缺陷（應力平行于焊縫，殘余應力可按缺陷所40%40%進行評定。對于經(jīng)局部消除應力退火熱處理或現(xiàn)場整體熱處理的焊接結(jié)構(gòu)，焊接殘余應力可能高于爐內(nèi)熱處理殘余應力的推薦值，可實測確定或保守考慮。對焊接修補區(qū)、高拘束度焊縫區(qū)或焊接殘余應力分布情況不明區(qū)域，殘余應力可按焊材或母材屈服強度之小者進行評定。4章材料性能第1節(jié)斷裂韌性CCS《材料與焊接規(guī)范》要求測定。Kmat、裂紋尖端張開位移(CTODmatJJmat，若試驗數(shù)據(jù)不可用，可由夏比沖擊功推導。KmatmatJJmat可依下式轉(zhuǎn)換：KmatmYmYmatE12

EJmat1EJmat12其中，E為彈性模量，Y為材料屈服強度，為泊松比。

mat當0.3Y/U0.98，m由下式計算，否則m取1.5：0.3188m1.517Y

其中，U為材料抗拉強度。

U第2節(jié)拉伸特性斷裂失效評定需要材料的屈服強度、抗拉強度、彈性模量及泊松比等參數(shù)。各參數(shù)應由適當溫度下的力學性能試驗測定，試驗試件的數(shù)量、尺寸CCS《材料與焊接規(guī)范》要求。4.2.30.3。4.2.3鋼材彈性模量溫度℃彈性模量MPa-200219000-150215000-100212000-75210000-50209000020600025205000502030001002010001501980002001950002501910003001870003501820004001770004501710005001640005501560006001460006501350005章斷裂失效評定第1節(jié)評定流程數(shù)據(jù)收集評定溫度及評定周期內(nèi)的載荷等。其中平臺設計資料應包括：原始設計資料，一般應包括設計規(guī)格書、設計圖紙及設計報告等；完工資料，一般應包括完工圖紙、斷裂韌性試驗報告、鋼材材質(zhì)證書等；歷次改造記錄，一般應包括改造圖紙及評估報告等。應力確定陷的完整結(jié)構(gòu)。期內(nèi)可能出現(xiàn)的關(guān)鍵工況。及彎曲應力。參照結(jié)構(gòu)建造工藝，確定缺陷位置結(jié)構(gòu)焊接殘余應力。的局部應力集中對斷裂比計算結(jié)果的影響。建立輸入信息參數(shù)表，至少應包括：缺陷所在位置結(jié)構(gòu)幾何尺寸；缺陷類型、長度、高度；材料斷裂韌性參數(shù)、屈服強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比；主應力及二次應力。繪制失效評定曲線，計算斷裂比及載荷比，進行結(jié)構(gòu)斷裂失效評定。第2節(jié)失效評定圖5.2.2Kr5.3.15.4.1制評定點，判別是否在可接受區(qū)，如圖5.2.1所示。對評定點在不可接受區(qū)內(nèi)的工況，可使用更詳盡的評定數(shù)據(jù)重新評定。不可接受區(qū)不可接受區(qū)評定點臨界曲線可接受區(qū)Lr,max5.2.1失效評定圖失效評定曲線海洋工程結(jié)構(gòu)物工程臨界評定中評定曲線一般按照下式方程確定，該方程不需要由試驗測定詳細的應力-應變關(guān)系曲線：當Lr1時，f(L)

11

L2

[0.30.7exp(L6

（8）r 2r r當1LrLr,max時，

f(L)

fN1)/(2N)

（9）當LrLr,max時，Lr的截斷值Lr,max依下式確定：

r rf(Lr)0

（10）Lr,max

Yu2

（11）Y其中， E,0.6min0.001 Y N Y0.31 u第3節(jié)斷裂比5.3.1Kr按照下式計算：KPKS其中，

KrI IKmat

（12）IKP為僅有主應力作用時的應力強度因子，參見A.1節(jié)；IIKS為僅有二次應力作用時的應力強度因子，參見A.1節(jié)；I為主應力與二次應力對應力強度因子的相互作用，參見A.1節(jié)。第4節(jié)載荷比5.4.1

Lr

（13）Y其中，ref為參考應力，參見A.2節(jié)；6章疲勞失效評定第1節(jié)評定方法da/dN應力強度因子變化幅度K裂。疲勞裂紋擴展速率與裂紋尖端應力強度因子變化幅度的關(guān)系可按照帕里斯定律確定：其中，

daA(K)mdN

（14）A與m6.3.1。第2節(jié)評定流程6.2.1疲勞缺陷評定按下列步驟進行：確定缺陷表征；確定應力變化范圍；確定材料參數(shù)；計算疲勞裂紋的K；計算疲勞裂紋擴展量；安全性評價。第3節(jié)疲勞擴展速率系數(shù)0.2%600MPa的鋼材，疲A與m6.3.16.3.1所示：6.3.1A與m的推薦值環(huán)境階段A階段B兩階段轉(zhuǎn)換點K，N/mm3/2AmAm空氣中1)2.1010175.101.2910122.88144無防腐1.7210133.427.481071.11748海洋環(huán)境2)陰極保護(-850mV)2.1010175.102.0210112.67290陰極保護2.1010175.101.021071.40415100℃；20℃，超過此溫度需修正擴展速率系數(shù)。AB6.3.1裂紋增長關(guān)系疲勞裂紋擴展的應力強度因子變化范圍門檻值K06.3.2所示：6.3.2應力強度因子變化范圍門檻值K0的推薦值環(huán)境3/2K0，N/空氣中，空氣溫度不超過100℃63海洋環(huán)境，海水溫度不超過20℃，有陰極保護63海洋環(huán)境，海水溫度不超過20℃，無防腐0A評定參量確定應力強度因子計算概述應力強度因子根據(jù)下式計算：aKI(Ya

（15）其中，(Y)由主應力對應的(Y)P和二次應力對應的(Y)S組成，(Y)P與(Y)S分別由下式確定：(Y)PMfw{ktmMkmMmPmktbMkbMb[Pb(km1)Pm]}(Y)SMmQmMbQbMfw由下式確定：

（16）（17）M1 ca5

（18）fsec

（19）w WB

Mm由下式確定： a2 a4gfMmM1M2

M3

（20）其中，

B BcM1.130.09c1 c0.5

(0a/2c0.5)；cM1a

10.04a

(0.5a/2c1.0)； 0.89 M2

a

(0a/2c0.5)；0.2 c42 M 2

c(0.5a/2c1.0)；1 a24M30.5

a141c

(0a/2c0.5)；c0.65 c c3 M0.11 3

(0.5a/2c1.0)；a2g10.10.35 (1sin

(0a/2c0.5)；B ca2g10.10.35 (1sin

(0.5a/2c1.0)；aBa2 f c2 f

0.25cos2sin20.25sin2cos2a1.650.5

(0a/2c0.5)；(0.5a/2c1.0)；11.464c

(0a/2c0.5)； c0.511.464a

(0.5a/2c1.0)。 中性軸A.1.3表面裂紋參數(shù)示意由焊接引起的應力集中對應力強度因子的修正對于焊接結(jié)構(gòu)，其焊趾位置存在局部應力集中。當裂紋出現(xiàn)在此區(qū)域時，需引入修正系數(shù)Mk修正應力集中對應力強度因子的影響。A.1.4焊趾位置裂紋參數(shù)修正因子Mk由下式確定：

kM(z/B)wk

（21）當計算得到Mk小于1時，取Mk1。式中參數(shù)由下表確定：A.1.4A與m的推薦值L/Bz/Bw軸向載荷20.05(L/B)0.550.51(L/B)0.270.310.05(L/B)0.550.830.15(L/B)0.4620.0730.6150.310.0730.830.20彎曲載荷10.03(L/B)0.550.45(L/B)0.210.310.03(L/B)0.550.680.19(L/B)0.2110.030.450.310.030.680.19由結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起