疲劳与断裂作业

在船舶与海洋工程领域，目前国内对疲劳问题的机理研究几乎处于停滞状态，本文考虑了提出考虑腐蚀缺陷的冰区平台动态疲劳可靠性模型，并基于Bayes 理论研究检测与维修对平台动态疲劳可靠性更新。

以疲劳寿命为控制量，确定基于断裂力学方法的冰区平台动态疲劳可靠性功能函数；分析腐蚀对平台动态疲劳可靠性的影响，建立考虑疲劳与腐蚀交互作用的冰区平台动态可靠性模型；基于Bayes 理论对腐蚀预测模型进行修正，通过修正腐蚀模型实现，最后通过渤海某一平台为例，进行验证和分析。

其基本原理如下：考虑腐蚀的影响，并设腐蚀函数为d(t)，则管节点的临界深度fa 可表示为()0f a w dt =-其中t 为平台服役时间。

根据断裂力学理论，以疲劳寿命为控制量，并考虑尺寸参数的不确定性，平台节点的疲劳寿命分析功能函数()()()001w d t ma avgY S dag t tf C B Y a B S -=-⎡⎣⎰其中C 和m 为材料的裂纹扩展参数，由材料属性确定，e S 为等效疲劳应力范围，avg f 为荷载作用的平均频率，()Y a 为裂纹扩展的几何修正系数，S B 和Y B 分别为描述疲劳应力和几何修正系数计算过程中的不确定因素的随机变量。

综上可知，等效疲劳应力范围e S 和荷载作用的平均频率avgf 为两个重要的计算参数，而这参数可以通过对整个冰激疲劳环境划分子工况的方法确定，因此根据每个子工况的疲劳应力参数与工况比例获取e S 和avgf ；()10101km mi i i i e ki i i f E S S f ==⎡⎤∂⎢⎥⎢⎥=⎢⎥∂⎢⎥⎣⎦∑∑，01kavg i i i f f ==∂∑，其中k 为子工况数，i ∂为子工况i 所占的比例，0i f 为子工况i 的荷载频率，()m iE S 为子工况中mS 的均值。

由于考虑到腐蚀的影响，腐蚀函数d(t)采用paik 腐蚀模型，该模型的表达式为()()()()()()()()()()2''22'2BBi i C CA A A A d t A t T t TA A μσμσμσσ+=-=-+其中的A 和B 分别为与腐蚀保护系统相关的系数，t 为平台服役时间，CT 为CPS 寿命。

此时关键确定参数A ，切此参数需要根据不断地检测数据进行更新，根据bayes 更新原理，设更新前的系数A 的均值和标准差为()()A A μσ,更新后的均值和标准差为()()''A A μσ，因此，第i 年检测更新后的均值和标准差为()()()()()()()2''22'2i A A A A A A A μσμσμσσ+=+()2i A σ=新后的腐蚀模型为()()()()()()()()()()2''22'2BBi i C C A A A A d t A t T t T A A μσμσμσσ+=-=-+。

因此，在实际计算平台中，考虑了24种工况，分析渤海冰区平台的动态疲劳可靠性，并根据检测维修进行更新，结果表明检测和维修对平台可靠性影响较大，腐蚀速率越大可靠性下降越快，但是维修平台可以恢复原值，但是在随后的服役过程中可靠性下降速率较快。

对于海洋工程结构，在研宄疲劳问题的同时，必须考虑腐烛问题。

据统计，我国年腐蚀损失约占国民生产总值的5%，海洋腐蚀的损失约占总腐蚀损失的三分之一。

尽管船舶与海洋工程结构物在建造之初配有严格的腐蚀防护系统，理论上船体腐独处于可接受范围之内，根据实船检测发现，在船舶服役期间防腐系统并不是足够有效，尤其在一些局部区域，由于涂层老化或者其它因素导致涂层脱落，会导致更加严重的腐烛。

据统计资料显示近90%的海洋工程结构物失效是由腐烛引发，而腐烛疲劳占事故总数的接近30%。

由此可见，腐蚀疲劳在海洋工程领域具有普遍性和危害性。

与陆地上的工程结构相比，船舶与海洋工程结构的特殊性之一就是其长期处于海洋环境中，结构表面所遭受的腐烛极为严重。

海洋工程结构在服役期内将受到交变载荷和腐烛环境的联合作用，使得其服役时间明显缩短。

一般认为，工程结构或构件在交变载荷和腐独环境联合作用下因开裂或断裂提前失效的现象，称为腐烛疲劳。

在腐烛疲劳过程中，存在两种基本的损伤形式：一是由交变载荷引起的疲劳损伤；二是由腐烛介质引起的腐烛损伤。

当海洋工程结构遭受交变载荷和腐姓环境的联合作用时，这两种损伤的作用不是简单叠加，而是两种基本损伤之间存在明显的稱合效应，即互相促进腐独疲劳的本质是海洋工程用钢海水的电化学腐烛过程与交变载荷对工程结构的力学损伤过程的稱合作用。

因此，海洋工程结构在交变载荷与腐性环境联合作用下的腐烛疲劳破坏是一种更为严重的腐烛力学破坏形式。

腐蚀疲劳现象于1917年首次提出，至今一个世纪以来，国内外学者对腐蚀疲劳做了长期而广泛的研究，其主要的研究成果集中在对腐蚀疲劳裂纹的形成和扩展机制，以及各种因素对疲劳S-N 曲线和裂纹扩展速率的曲线影响研究。

为了考虑海水腐烛对海洋工程结构疲劳性能的影响，目前工程上常用的处理方法主要有以下两种：一是根据规范给出各个区域构件的腐烛余量，在疲劳寿命分析时以扣除腐烛余量的板厚去计算疲劳热点位置的应力响应，然后按照空气中的曲线评估疲劳损伤，对于那些没有腐烛防护的结构，则要求使用更为保守的腐烛条件下的曲线。

二是通过对实际结构腐烛检测和实海挂片腐烛数据的统计分析和拟合，建立构件腐烛厚度随时间变化的腐烛模型，从而能够确定构件在全寿命期内任意时亥的剩余厚度。

在采用有限元法计算疲劳热点应力时，选择多个时刻建立不同剩余厚度的精细有限元模型，得到结构热点应力随时间的变化趋势，然后按照无腐烛条件下的曲线计算疲劳损伤。

海洋结构物根据其各个部位所处腐烛环境不同，其腐烛形态和规律都有所不同。

腐 蚀疲劳根据腐烛介质分类，分为气相腐烛疲劳和液相腐烛疲劳。

本文所关注的是海洋结 构物全浸区的腐烛疲劳行为，属于典型的液相腐烛疲劳。

海洋结构物用钢与海水介质通 过电化学腐烛作用，显著降低了结构的疲劳性能。

通常将影响腐她疲劳因素分为三类：冶金因素，力学因素与环境因素。

一个因素的变化就有可能引起腐蚀疲劳行为的臣大差异，因此目前还没朽种腐烛疲劳机理模型能够解释所有的腐烛疲劳现象。

腐蚀疲劳是一个较为复杂的问题，由于许多影响因素间错综复杂的关系,目前要定量预计所设计的构件的腐蚀疲劳强度还很困难，腐蚀疲劳的防护起到一定的作用：1.合理选材与优化材料；采用耐腐蚀疲劳的材料。

由于钢的强度愈高，通常其腐蚀疲劳敏感性愈大，因此选择强度低的钢种一般更为安全。

例如含二氧化硫的溶液中Cr26Ni15铁素体–奥氏体双相不锈钢较奥氏体不锈钢耐蚀。

2.降低张应力水平或改善表面应力状态；设计上注意结构合理化，减少应力集中，避免缝隙结构，适当加大截面尺寸。

3.缓腐蚀作用；常用的措施有施加表面、添加缓蚀剂和实施电化学保护技术。

（1）表面涂(镀)层喷丸、氮化等在材料表面产生压应力，有利于提高耐腐蚀疲劳性能。

例如碳钢经氮化处理后在3%氯化钠溶液中的寿命可提高2～3倍。

（2）添加缓蚀剂例如在含乙醇的水中加200ppm 重铬酸钠可使正火的0.35%碳钢的腐蚀疲劳性能接近空气中的疲劳性能。

（3）电化学保护在弱酸性、中性和碱性介质中可采用阴极保护，如碳钢在3%氯化钠溶液中和在循环应力作用下，采用阴极保护可显著提高耐腐蚀疲劳性能。

但不能完全防止，这可能是由于在交变应力作用下，材料电势的变化并不是同一方向的。

在氧化介质中使用的碳钢，特别是不锈钢，也可采用阳极保护。

在海洋工程中，根据不同的海工况疲劳损伤累计公式推导： 已知S-N 曲线表达式为mN AS-=，伽马函数表达形式为()10x t x t e dt ∞--Γ=⎰，瑞利分布函数为()22exp 4sg s σ⎡⎤=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦。

对于第i 个短期海况，其疲劳损伤i D 为：()00002020/2222/22000exp 4exp mi i i i m i i i i mi i m m i i T D s f Pg ds A Tf P s g ds A Tf P s s ds A Tf P d A Tf σ∞∞∞∞⎛⎫= ⎪⎝⎭⎛⎫= ⎪⎝⎭⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎡⎤⎢⎥⎢⎥=- ⎪⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎣⎦=⎰⎰⎰⎰()()/222200exp 12m m i i m i i P d A Tf P m A ∞⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎢⎥⎢⎥- ⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎣⎦⎛⎫⎛⎫=Γ+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎰式中，T 为设计寿命（s ）;A,m-S-N 曲线参数；i 为第i 个海况；0i f 为第i 海况应力幅值响应的过零率，单位Hz ；pi-Tz 和Hs 的联合概率；gi 第i 个海况应力幅值概率密度分布函数；s-应力变化范围，i σ为第i海况的均方根，r σ=整个寿命期内的总损伤D为：(()01112MMmm i i i i i i T m D D P f A σ==⎛⎫⎛⎫==Γ+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭∑∑考虑到雨流修正系数λ和持久强度系数μi,疲劳损伤D 为：(()()011,2Mmm i i i i i i T m D m P f A λεμσ=⎛⎫⎛⎫=Γ+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭∑其中，M 海况个数。

雨流修正系数λ被定义为如下形式：()()()[](),11b m i i m a m a m λεε=+--⎡⎤⎣⎦式中，()()0.9260.033, 1.578 2.323a m m b m m =-=-。

持久强度系数i μ的表达式：()()()()/200/21,1//21,1/21,m i i i i i m r m νννμν∆Γ+-Γ+=-Γ+式中，()()2100,,exp xa i a x u u du ν-⎛⎫=Γ=-⎰。

腐蚀疲劳是研究海洋工程结构中不可或缺的影响因素，由于兼顾腐蚀和疲劳两大难点，这将会是以后海洋工程结构课题研究的重要方向和发展趋势。