第１３卷第６期２０１５年１２月中 国 工 程 机 械 学 报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｖｏｌ．１３Ｎｏ．６
ｅｃ．２０１５ Ｄ
不同标准在海上平台起重机疲劳
寿命评估中的对比分析
王 欣１，杨智棕１，冯超群２
（）大连理工大学机械工程学院，辽宁大连１中海油能源发展装备技术有限公司，天津３１．１６０２３；２．００４２５
摘要：选取国外４个权威的疲劳评估标准和规范，从名义应力法和热点应力法两方面对它们进行了全面详细的对比．结果显示，在海上平台起重机结构疲劳寿命评估时，可以借鉴Ｄ能够得到合理有ＮＶ和ＩＩＷ推荐的方法，效的寿命预测结果．
关键词：海上平台起重机；疲劳寿命评估；标准比较；名义应力法；热点应力法
（）中图分类号：ＴＧ４０５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－５５８１２０１５０６－０５５０－０６
DOI:10.15999/j.cnki.311926.2015.06.014
Ｃｏｍａｒａｔｉｖｅａｎａｌｓｉｓｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｎｄａｒｄｓｆｏｒｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｙｃｒａｎｅｆａｔｉｕｅｌｉｆｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｇ
１ＷＡＮＧ Ｘｉｎ１，ＹＡＮＧ ＺｈｉｚｏｎＦＥＮＧ Ｃｈａｏｕｎ２－－ｇ，ｑ
（，，；１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏＤａｌｉａｎ１１６０２３，Ｃｈｉｎａ ｇｇｙｇｙ ，）２．ＣＮＯＯＣＥｎｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏ＆ＳｅｒｖｉｃｅｓｉｌｆｉｅｌｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎＣｏ．Ｔｉａｎｉｎ３００４２５，Ｃｈｉｎａ －Ｏ ｇｙｇｙｇｇｊ
：，ＡｂｓｔｒａｃｔＢｓｅｌｅｃｔｉｎｆｏｕｒａｕｔｈｏｒｉｔａｔｉｖｅｓｔａｎｄａｒｄｓｏｒｎｏｒｍｓｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｃｏｍａｒｉｓｏｎｓａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｕｓｉｎ ｙｇｐｇ
，ｎｏｍｉｎａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｈｏｔｓｏｔｓｔｒｅｓｓｍｅｔｈｏｄｓ．Ｆｏｒｔｈｅｆａｔｉａｕｅｌｉｆｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｎｏｆｆｓｈｏｒｅｃｒａｎｅｓｉｔｉｓｔｈｅ － ｐｇｆｒｏｍｒｅｓｕｌｔｓｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｂＤＮＶａｎｄＩＩＷａｒｅａｃｃｅｔａｂｌｅｆｏｒｒａｔｉｏｎａｌｌｉｆｅｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｙｐ ｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．ｐ
：；；；；Ｋｅｏｒｄｓｏｆｆｓｈｏｒｅｃｒａｎｅｆａｔｉｕｅｌｉｆｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓｔａｎｄａｒｄｃｏｍａｒｉｓｏｎｎｏｍｉｎａｌｓｔｒｅｓｓｍｅｔｈｏｄｈｏｔｓｏｔ －ｇｐｐｙｗｍｅｔｈｏｄｓｔｒｅｓｓ
海上平台起重机是海上钻井或生产平台上人
由于作业频繁、环境恶员和物资的重要运输装置．
，劣（海风、潮湿等）海上平台起重机结构长期承受
１］
交变载荷，极有可能发生疲劳破坏［目前，国内外．
应力法或热点应力法进行评估．
本文主要探讨和对比以下４个标准和规范：美
［３］
（国船级社《近海结构疲劳评估导则》以下简称
多数疲劳寿命评估标准只是针对焊接结构，缺少专门针对海上平台起重机结构的疲劳寿命评估标准．美国石油学会标准Ａ海ＰＩＳｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ２Ｃ２０１２《 ｐ
只是推荐采用热点应力法进行上平台起重机规范》
２］
，具体的操作流程没有作详尽的说明．寿命评估［
）、英国标准学会Ｂ钢结构疲劳ＡＢＳＳ７６０８—１９９３《
［４］
（、设计与评估标准》以下简称Ｂ挪威船级社Ｓ）
［５］
《近海钢结构疲劳设计推荐做法》ＤＮＶ－ＲＰＣ２０３－
（、以下简称Ｄ国际焊接学会ＩＮＶ）ＩＷｄｏｃｕｍｅｎｔ
焊接结构疲劳设计推１９６５０３／ＸＶ１１２７０３《ＸＩＩＩ－－－－［］６－７
（以下简称Ｉ它们的评估流程大致荐文档》ＩＷ）．
因此，对海上平台起重机结构进行疲劳寿命评估时，主要是在国内外各个结构件疲劳评估标准的基础上，借鉴应用其标准化的Ｓ－并采用名义Ｎ曲线，
相同，只是在名义应力法和热点应力法选择上存在差异，因此本文采用这两种方法对上述４个标准进行对比分析，力图寻求适合海上平台起重机疲劳寿
“；；基金项目：十二五”国家科技支撑计划项目（国家质检总局科技项目（江苏省产学研联合创新资金２０１１ＢＡＦ０４Ｂ０１）２０１４ＱＫ０９３）
（）；）中海油能源发展股份有限公司科技项目（ＢＹ２０１２０８９ＨＦＫＪ－ＹＪ１３０５：（），，：作者简介王 欣１９７２－女副教授．Ｅ－ｍａｉｌｗａｎｘｂｄ２１＠１６３．ｃｏｍｇ
第６期王 欣，等：不同标准在海上平台起重机疲劳寿命评估中的对比分析５５１
命评估的标准，以提高疲劳评估和寿命预测的精度．
义应力为基本参数，可对简单零构件及常见结构进行全寿命评估，具体流程参见１．各标准名义２节．应力法评估的不同点主要体现在名义应力Ｓ－Ｎ曲线规定及修正、焊接细节、疲劳强度等级分类等方面．
２．１ 名义应力Ｓ－Ｎ曲线
典型结构细节或整个零Ｓ－Ｎ曲线表征了材料、
部件不同应力水平与对应疲劳寿命间的数学关系，反映了结构的抗疲劳强度，是金属部件尤其是焊接
９］结构有限寿命设计的必备数据［名义应力法用一．
１ 海上平台起重机及疲劳寿命评估
流程
１．１ 海上平台起重机概述
海上平台起重机是海洋石油勘探生产中最重通常安装在钻井和生要的生产和安全设备之一，
２］
，供海上平台内或平台与船舶之产作业平台上［
间吊运货物或人员．作为特种设备，海上平台起重
机对海上生产及生活具有重大影响，一旦关键部位发生失效就会造成较大的人身伤亡或财产损失．疲劳失效是海上平台起重机最主要的失效方式之一，这是起重机结构长期承受交变载荷所造成的，一般在焊趾应力集中处容易发生疲劳破坏．所以有必要对海上平台起重机进行疲劳寿命评估，但目前缺少专门针对海上平台起重机的疲劳寿命评估标准．现有的疲劳寿命评估标准只是针对焊接结构，且表述方式和涵盖面有所不同，因此需要对其进行分析比较，选取合适的标准规范作为评估的依据．１．２ 疲劳寿命评估流程
８］
各标准对疲劳寿命评估的流程［基本一致，分
组具有特定存活率的Ｓ－Ｎ曲线来表征焊接细节的）疲劳强度．正应力Ｓ－确定，切应Ｎ曲线一般用式（１力Ｓ－Ｎ曲线与之类似．
（）ｌＮ＝ｌＣＰＳ－ｍ·ｌ１σｎｏｍｇｇｇΔ
式中：Ｎ为用循环次数表示的疲劳寿命；ＣＰＳ表示存活率为Ｐｍ为双对数坐Ｓ时曲线在Ｎ轴上的截距；标系下正应力Ｓ－Ｎ曲线斜率的负倒数；Δσｎｏｍ为加载循环的名义正应力范围．
各标准中的Ｓ－Ｎ曲线使用的都是双对数坐标纵坐标对应力范围Δ横坐标对循环次系，σ取对数，数Ｎ取对数，如图１所示．曲线上拐点表示常幅疲在拐点之前和之后的斜率分别为主斜率劳极限点，
ｍ１和副斜率ｍ２．ＡＢＳ和ＢＳ的Ｓ－Ｎ曲线中，Ｂ等级主斜率ｍ１＝４，其余等级主Ｃ等级主斜率ｍ１＝３．５，斜率均为３．除了等级ＢＤＮＶ的Ｓ－Ｎ曲线中，１和其余等级主斜率均为３．Ｂ２主斜率ｍ１＝４以外，
所有标准Ｓ－ＩＩＷ所有等级主斜率均为３．Ｎ曲线的副斜率值均为ｍ２＝ｍ１＋２．
由图１可见，ＡＢＳ和ＢＳ的Ｓ－Ｎ曲线基本类曲线整体偏下，而Ｄ似，ＮＶ和ＩＩＷ的Ｓ－Ｎ曲线则整体靠上．对于主斜率ｍ１＝３的Ｓ－该Ｎ曲线而言，结果是在疲劳寿命主要为裂纹扩展寿命这一保守
９］
，假设下确定出的［基本符合实际情况，尤其是低
为以下几步：
）结构有限元分析，（确定危险部位．１
（）如果有动应力实测数据，经编谱分析获得２
）危险部位应力幅值谱，然后转到步骤（４．
（）如果没有动应力实测数据，只有载荷谱，３
则可通过载荷谱及有限元模型获得危险部位的应力幅值谱．
（）选择合适的评估方法．通常可以选用名义４
应力法或者热点应力法．
（）根据损伤计算公式，计算累积损伤．５（）根据载荷谱或动应力谱所对应的循环次６
数，由Ｍｉｎｅｒ公式计算危险部位的寿命．
上述４个标准在疲劳寿命评估流程中的区别主要体现在第（步评估方法选择上．名义应力法４）所以本文对这两种方法的差异进行探讨．
疲劳强度等级的焊接细节．２．２ Ｓ－Ｎ曲线修正
而影响疲Ｓ－Ｎ曲线反映了结构的抗疲劳强度，
劳强度的因素很多，归纳起来有材料本质、零件状因此结构疲劳寿命评估时要对Ｓ态和工作条件等，－
板厚是描述零件状态的重要参Ｎ曲线进行修正．
和热点应力法在评估时分别有不同的规定和描述，数，且对疲劳强度影响很大，因此本文主要比较板
厚修正对Ｓ－Ｎ曲线的影响．
对于相同的应力范围，结构的疲劳强度会随着板厚的增大而降低，这是一种尺寸效应，即焊趾处的局部几何形状受附近的板厚尺寸及沿厚度方向
名义应力法是目前应用较广泛的方法，它以名
应力分量的影响．板厚修正公式为：
２ 名义应力法
５５２
中 国 工 程 机 械 学 报第１３卷
平整则不需要厚度修正．ＤＮＶ规定非管接头ｔｒｅｆ管接头ｔ厚度修正系数ｎ＝２５ｍｍ，２ｍｍ，ｒｅｆ＝３如表１所示．
表１ ＤＮＶ厚度修正系数ｎ
Ｔａｂ．１ ＤＮＶｔｈｉｃｋｎｅｓｓｍｏｄｉｆｉｅｄｅｘｏｎｅｎｔｎ ｐ
Ｂ１０ Ｆ１
Ｂ２０ Ｆ３
Ｃ
Ｃ１
Ｃ２
Ｄ
Ｅ
Ｆ０．２５
０．１５１５１５２０２０ ０． ０． ０． ０． Ｇ
Ｗ１
Ｗ２
Ｗ３
Ｔ
０．２５２５２５２５２５２５ ０． ０． ０． ０． ０．ＳＣＦ为结构的应力集中系数． 注：
（）０．２５ＳＣＦ≤１０
（）０．３０ＳＣＦ＞１０
对于图２所示接头，当ＩＩＷ规定，ｔ２５ｍｍ， ｒｅｆ＝
／否则ｔ＝焊趾间距Ｌ满足Ｌｔ≤２时
，ｔ０．５Ｌ， ｒｅｆ＝
［］
厚度修正系数ｎ见ＩｔＩＷ规范６－７．ｒｅｆ，
图２ 焊趾间距Ｆｉ．２ Ｗｅｌｄｔｏｅｄｉｓｔａｎｃｅ ｇ
），只是参考板２ ４个标准对厚度修正都采用式（厚和厚度修正系数选取不同．其中ＤＮＶ给出了每个疲劳强度等级下的厚度修正系数，较为具体和详细，疲劳评估时可以优先参考ＤＮＶ的厚度修正方另外，厚度修正不但适用于名义应力法疲劳寿法．
命评估，而且适用于热点应力法疲劳寿命评估．２．３ 焊接细节
各标准中每条Ｓ－Ｎ曲线均对应于具有相近疲其疲劳性能与接头形式及受力劳性能的焊接细节，
图１ ４个标准的名义应力Ｓ－Ｎ曲线
Ｆｉ．１ ＮｏｍｉｎａｌｓｔｒｅｓｓＳ－Ｎｃｕｒｖｅｆｏｒｆｏｕｒｃｏｄｅｓ ｇ
与材料的静强度无关．对于海上平台起情况有关
，
重机，箱型臂中存在很多横向、纵向、十字和丁字焊接接头，管接头多见于桁架臂上，如图３所示．
ｒｅｆ
Δσσｔ＝Δ
ｔ
）
ｎ
（）２
式中：ΔσΔσ为未修ｔ为修正后该构件的应力范围；正时该构件对应疲劳等级的应力范围；ｔｒｅｆ为参考板若ｔ≤ｔ取ｔ＝厚；ｔ为待评估构件的板厚，ｔｎｒｅｆ，ｒｅｆ；为厚度修正系数．
对于非管接头参考板厚ｔＡＢＳ规定，２ｒｅｆ＝２管接头ｔ即待评估构件的板厚ｔｍｍ，２ｍｍ，ｒｅｆ＝３修正，且厚度修正系数ｎ＝０．ｔ２）２５．＞ｒｅｆ时按式（
，只是参考板２）ｎ＝０．２５，ＢＳ厚度修正也使用式（
厚ｔ且规定，焊缝余高经过机械打磨１６ｍｍ；ｒｅｆ＝
图３ 几种典型接头细节实例
Ｆｉ．３ Ｓｅｖｅｒａｌｔｉｃａｌｅｘａｍｌｅｓｆｏｒｏｉｎｔｓｄｅｔａｉｌ ｇｙｐｐｊ
第６期王 欣，等：不同标准在海上平台起重机疲劳寿命评估中的对比分析５５３
从 表２给出了各标准中接头细节类型与个数．
表中不难发现，特别ＤＮＶ和ＩＩＷ中接头形式最多，是Ｉ对ＩＷ包括了多达７６个焊接接头的Ｓ－Ｎ曲线，实际工程应用非常有利．
表２ 各标准中接头细节类型与个数
ｏｉｎｔＴａｂ．２ Ｊｄｅｔａｉｌｔｅａｎｄｎｕｍｂｅｒｏｆｆｏｕｒｃｏｄｅｓ ｙｐ
接头类型个数
标准或规范
ＡＢＳ ７ ４４
ＢＳ ８ ５１
ＤＮＶ １０ ６６
ＩＩＷ９７６
图４ 两点线性外推法示意图
Ｆｉ．４ Ｓｔｒｅｓｓｅｘｔｒａｏｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｗｏｏｉｎｔｓ ｇｐｐ
因此需要剔除缺口应力中的非线性应力成分，而结因此可以使用表面外推插值法构应力是线性应力，
］１２
对焊趾处的热点应力进行提取［目前，各个标准获．
２．４ 疲劳强度等级
它指的是ＩＩＷ用ＦＡＴ值表征疲劳强度等级，
取热点应力大多采取有限元分析或者贴应变片获取的方法，而它们对于插值点的规定又不尽相同．ＡＢＳ推荐外推点选取在距离焊趾０．５ｔ和１．５ （处，但是在管接头评估时要考虑应力集ｔｔ为板厚）中系数的影响．典型接头的热点应力等于ＢＳ规定，应力集中系数乘以名义应力，对于标准应力集中系数不适用的接头，通过距焊趾０．４ｔ或者更远处的 应力来外推热点应力．ＤＮＶ推荐了两点线性外推公式和适用于管接头的外推公式，前者在距离焊趾外推公式为式０．５ｔ和１．５ｔ处分别测量应力值， （）；后者对于弦杆和腹杆分别取不同的外推点，如３
）
图５所示，外推公式为式（４．
Ｓ－Ｎ曲线中２×１０次应力循环点所对应的强度数
７
据，其余３个标准均以１×１次循环所对应的强度０
６
数据来划分疲劳强度等级．为了便于比较，笔者计算了其余３个标准中的Ｆ表３是４个标准ＡＴ值．中一些主要接头形式的ＦＡＴ值对比．
评估时根据所选焊接细节及受力方式选择对应的疲劳强度等级，进而选择相应的Ｓ－由Ｎ曲线．
对表３可见，ＡＢＳ和ＢＳ曲线的ＦＡＴ值完全一致．绝大多数接头细节，ＤＮＶ和ＩＩＷ曲线的ＦＡＴ值都
且它们的Ｆ对于低于另两个标准，ＡＴ值较为一致，其Ｆ某些焊接细节，ＡＴ值几乎相同．ＩＩＷ标准对焊接细节的分类比较详细为明确和详细的规定．
［９］
，提供了多达１４条疲劳
设计Ｓ－且对各焊接细节的制造工艺亦有最Ｎ曲线，
３ 热点应力法
热点应力法主要针对焊缝疲劳进行寿命评
１０］
，估［以热点应力为基本评估参数，在工程上很受
欢迎．它不需要考虑由焊缝本身引起的非线性应力峰值的影响，而且理论上可以只用一条Ｓ－Ｎ曲线来评估不同类型焊接接头的疲劳强度，避开了名义应
１１］
力法的缺陷［具体评估流程参见１．使用热．２节．
图５ 管接头热点应力插值
Ｆｉ．５ Ｓｔｒｅｓｓｅｘｔｒａｏｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｕｂｕｌａｒｏｉｎ
ｔ ｇｐｊ
如何获取热点应力以及选择准确的热点应力法时，
点应力Ｓ－因此下面从这两方Ｎ曲线显得尤为重要，面对各标准的热点应力法进行对比分析．
３．１ 热点应力的获取
结构中的“热点”是指结构不连续 如图４所示，
或者切口中可能发生疲劳裂纹的位置，而这些位置”，中结构应力的最大值被称为“热点应力（它主σｈｓ）要由线性的膜应力和弯曲应力组成．热点应力法不需要考虑由焊缝局部细节引起的非线性应力集中
，
图６ ＩＩＷ推荐的热点应力外推插值方法Ｆｉ．６ ＨｏｔｓｏｔｓｔｒｅｓｓｅｘｔｒａｏｌａｔｉｏｎｆｏｒＩＩＷ ｇｐｐ
．５．５σｈσσｓ＝１０．５ｔ－０１．５ｔ
（）３（）４
σｈｓ＝
Ｘ２σＸ１－Ｘ１σＸ２
Ｘ２－Ｘ１
５５４
中 国 工 程 机 械 学 报第１３卷
式中：对于弦杆，Ｘ１和Ｘ２表示外推点的位置，Ｘ１对于腹杆，＝０．２ｔＸ２＝０．４ＴｒｔＸ１＝０．２
４
其中的ｒ和Ｒ分别是腹杆和弦ｔＸ２＝０．６５ｔ．杆半径，ｔ和Ｔ分别是腹杆和弦杆壁厚．
表３ 标准中典型接头细节的疲劳强度ＦＡＴ值Ｔａｂ．３ ＦＡＴｖａｌｕｅｓｏｆｔｉｃａｌｄｅｔａｉｌｉｎｃｏｄｅｓｏｉｎｔｓ ｙｐｊ
连接类型
焊缝磨平
ＡＢＳ １２４
ＢＳ １２４
ＤＮＶ １１２
ＩＩＷ１２５
ＭＰａ
焊态接头
横向承载
焊接接头
（手工或自动焊，且９１
）平焊
（焊缝磨平和平焊８０
以外的情形）（带垫板单面焊）６８
（平焊）９１
（非平焊）８０
（平焊，焊趾角度１００
ｏ）（小于３９０焊凸部分不能超过焊缝宽０
（度的１不满足１０％）８０００
（）焊凸部分不能超过焊缝宽时的情况８０
（度的２带垫板单面焊）０％）７１
（（带垫板单面焊，非角焊缝）６单面焊，根部无损７１３（，））带垫板单面焊角焊缝探伤５０
（部分焊透双面焊）４５（焊缝过渡处圆弧半径与窄６３
）板宽度比值大于０．１６
（焊缝过渡处圆弧半径与窄５６
）板宽度比值小于０．１６
１５０
（自动焊，无起停１２４
弧点）（有起停弧点）９１（无工艺孔边）８０（６８有工艺孔边）
丁字对焊
６０ ６０５０
平接或Ｋ形
对接焊缝
纵向承载焊接接头
（对接焊缝，焊缝１５０
无损探伤）磨平，
１５０
（焊缝磨平，无起１２５
停弧点并经无损探伤
的焊态焊缝）（自动焊／手动焊，１２５
无起停弧点）（有起停弧点）９０（无工艺孔边）８０～３６（７１～３６有工艺孔边）（无层状撕裂，轴向８０
偏心小于板厚０．１５倍，焊趾磨削）（不满足８７１０的情况）（无层状撕裂，轴向６３
偏心小于板厚０．１５
倍，焊态）（无层状撕裂，轴向６３
偏心小于板厚０．１５
倍，焊态）
连续角焊缝
（（自动焊／手动焊，１自动焊，无起停１２４２４
无起停弧点）弧点）（（有起停弧点）有起停弧点）９１９１（无工艺孔边）８０（６８工艺孔边）
（无工艺孔边）８０
（６８有工艺孔边）
断续角焊缝
Ｋ形对接焊缝
十字或丁字
焊接接头
（完全熔透焊，６８
焊趾磨削）（磨削修整６８
咬边）
（完全熔透焊）７１
部分焊透焊缝 （焊趾磨削）６０（磨削修整咬边）６０
３６
角焊缝（焊趾磨削）６０（磨削修整咬边）６０
３６
ＩＩＷ推荐了两点线性外推和三点两次外推插
如图６所示．前者在距离焊趾０．值方法，４ｔ和１．０ 然后进行线性插值得ｔ处分别取两点测其应力值，
）；外推公式见式（后者分别在距焊趾到热点应力，５，外推公式见式０．４ｔ０．９ｔ和１．４ｔ处选取插值点，
（）６．
．６７．６７σｈσσｓ＝１０．４ｔ－０１．０ｔ
（）５
）．５２．２４．７２６σｈσσσｓ＝２０．４ｔ－２０．９ｔ＋０１．４ｔ（
海上平台起重机疲劳寿命评估主要针对管接头和板接头．在管接头上应用较多的是表面线性插虽然三点两次外推法更加精确，但是不值外推法，
１０］
，同的表面线性插值法对结果的影响并不大［因
３．２ 热点应力Ｓ－Ｎ曲线
各标准都做了大量的试验以确定热点应力Ｓ－其中Ａ对于非管接头，推荐将图Ｎ曲线．ＢＳ规定，
对于管接１ａ中的Ｅ曲线作为热点应力Ｓ－Ｎ曲线；头有专门的一条Ｔ（曲线．Ａ）ＢＳ对于管接头给出了Ｔ曲线，它是一条理想的热点应力Ｓ－近Ｎ曲线，似于ＩＩＷ中的ＦＡＴ９０曲线．ＤＮＶ推荐将图１ｃ中的Ｄ曲线作为热点应力Ｓ－对于管接头给Ｎ曲线，它和Ｄ曲线是一致的．出了Ｔ曲线，ＩＩＷ给出了７
种典型板接头的热点应力Ｆ对应的曲线ＡＴ等级，，对于管接头没有直接可以选用的热点参考图１ｄ应力Ｓ－图７将各标准中的热点应力Ｓ－Ｎ曲线．Ｎ曲线作了汇总．
除了ＡＢＳ中适用于 从以上分析和图７可知，非管接头的Ｅ曲线之外，其余标准中热点应力Ｓ使Ｎ曲线和ＩＩＷ给出的ＦＡＴ９０曲线几乎重合，－
此可以选取ＤＮＶ推荐的更为适合管接头的表面插值方法；板接头用热点应力法进行疲劳寿命估算时，外推插值可以选取Ｄ或者ＮＶ推荐的式（３））ＩＩＷ推荐的式（５．
第６期王 欣，等：不同标准在海上平台起重机疲劳寿命评估中的对比分析
５５５
［［］２］ＰＩＳｅｃ２ＣＯｆｆｓｈｏｒｅｅｄｅｓｔａｌｏｕｎｔｅｄｃｒａｎｅｓＳ．２０１２． Ａ －ｍ ｐｐ［［３］ＢＳ．ＧｕｉｄｅｆｏｒｔｈｅｆａｔｉｕｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅＺ］．２００３ Ａ ｇ
（）ＵｄａｔｅｄＮｏｖｅｍｂｅｒ２０１０． ｐ
［４］Ｓ７６０８．Ｃｏｄｅｏｆｆｏｒｆａｔｉｕｅｄｅｓｉｎａｎｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｒａｃｔｉｃｅ Ｂ ｇｇｐ
［］ｏｆｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅＳ．１９９３．
［５］ＮＶ ＲｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄＤＮＶ－ＲＰ２０３．Ｆａｔｉｕｅｄｅｓｉｎｒａｃｔｉｃｅ Ｄ －Ｃ ｇｇｐ
［：，ｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅＺ］．ＮｏｒｗａＤｅｔＮｏｒｓｋｅＶｅｒｉｔａｓ ｙ２００６．
［６］ＢＢＡＣＨＥＲＡ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓｆｏｒｆａｔｉｕｅｄｅｓｉｎｏｆ ＨＯ ｇｇ
］：ｗｅｌｄｅｄａｎｄｃｏｍｏｎｅｎｔ［Ｍ］．［Ｓ．ｌ．ＩＩＷＪｏｉｎｔｏｉｎｔｓ ｐｊ，ＷｏｒｋｉｎＧｒｏｕＸＩＩＩＷｏｏｄｈｅａｄＰｕｂｌｉｓｈｉｎ２００３．－ＸＶ． ｇｐｇ
图７ 不同标准的热点应力Ｓ－Ｎ曲线
Ｆｉ．７ ＨｏｔｓｏｔｓｔｒｅｓｓＳ－Ｎｃｕｒｖｅｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｃｏｄｅｓ ｇｐ
［７］ＢＢＡＣＨＥＲＡ．ＴｈｅｅｗＩＷｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓｏｒ ＨＯ ｎ Ｉ ｒ ｆ
—Ａａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｗｅｌｄｅｄａｎｄｃｏｍｏｎｅｎｔｓｆａｔｉｕｅｏｉｎｔｓ ｇｐｊｃｏｍｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｄｅｅｃｅｎｔｌｄａｔｅ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｒｐｙｐ ｕ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｔｉｕｅ２００９，３１：５０－５８． ｇ
［基于虚拟疲劳试验的铁路车辆焊接结构疲劳寿命８］ 李晓峰．
预测［大连：大连交通大学，Ｄ］．２００８．
ＬＩＸｉａｏｆｅｎ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｆａｔｉｕｅｌｉｆｅｏｆｒａｉｌｖｅｈｉｃｌｅｗｅｌｄｅｄ ｇｇｇ ：ｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｆａｔｉｕｅｔｅｓｔ［Ｄ］．ＤａｌｉａｎＤａｌｉａｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｇ，ＪｉａｏｔｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔ２００８．ｇｙ
［李芾，卜继玲，等．不同标准的钢结构焊接细节疲劳９］ 周张义，
］（）：内燃机车，设计Ｓ－Ｎ曲线比较［Ｊ．２００９，１０１－６．，，ＺＨＯＵＺｈａｎｉＬＩＦｕ，ＰＵＪｉｌｉｎｅｔａｌ．Ｃｏｍａｒｉｓｏｎｏｆ ｇｙｇｐｓｅｖｅｒａｌｆａｔｉｕｅｄｅｓｉｎＳ－Ｎｃｕｒｖｅｓｆｏｒｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｌｄ ｇｇ［］，（）：Ｊ．ＤｉｅｓｅｌＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ２００９，１０１－６．
［基于热点应力法的履带起重机臂架寿命评估［１０］Ｄ］． 黄邵军．
大连：大连理工大学，２０１４．
ＨＵＡＮＧＳｈａｏｕｎ．Ｆａｔｉｕｅｌｉｆｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｆｏｒｃｒａｗｌｅｒｃｒａｎｅ ｊｇ：ｂｏｏｍｂａｓｅｄｏｎｈｏｔｓｏｔｓｔｒｅｓｓｍｅｔｈｏｄ［Ｄ］．Ｄａｌｉａｎｌａｔｔｉｃｅ ｐ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ２０１４． ｙｇｙ
［］海上平台起重机结构评估方法［中国科技纵横，１１］Ｊ． 叶兵．
（）：２０１４１１５７－５９．
Ｂｉｎ．ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｃｒａｎｅＹＥ ｇ［］：Ｊ．ＣｈｉｎａＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｏｖｅｒｉｅｗ，２０１４（１１）５７ －Ｖｇｙ －５９．
［李芾，黄运华．基于热点应力的焊缝疲劳强度评定１２］ 周张义，
］（）：研究［内燃机车，Ｊ．２００８７１－５．
，ＺＨＯＵＺｈａｎｉＬＩＦｕ，ＨＵＡＮＧＹｕｎｈｕａ．Ｓｔｕｄｏｆｆａｔｉｕｅ ｇｙｙｇ ［］ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｗｅｌｄｓｂａｓｅｄｏｎｈｏｔｓｏｔｓｔｒｅｓｓＪ．ｓｔｒｅｎｔｈ ｐｇ，（）：ＤｉｅｓｅｌＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ２００８７１－５．
用时可直接选用Ｆ评估时热点应力ＳＡＴ９０曲线．－
Ｎ曲线与外推插值方法应取自同一标准．
４ 结语
（）对海上平台起重机结构进行疲劳寿命评１
估时，如果可以在标准中找到待评估的接头类型以及Ｓ－可以用名义应力法进行寿命估算；对Ｎ曲线，有时难以明确接头的分类、于更复杂的焊接接头，
名义应力的大小和分布位置，推荐使用热点应力法进行寿命评估．
（）制造工２４个标准中，ＩＩＷ对焊接细节分类、
也更为实用和符合实际，艺等方面描述最为详细，
因此采用名义应力法进行评估时，优先考虑采用ＩＩＷ．
（）使用热点应力法评估时，对于管接头，３
ＤＮＶ给出了专门的热点应力外推公式以及Ｓ－Ｎ
曲线；对于板接头可以参考Ｄ这对ＮＶ或者ＩＩＷ，海上平台起重机结构寿命评估有借鉴意义．参考文献：
［颜廷俊，王东升，等．海上平台在役桁架式吊机疲劳１］ 吴铦敏，
］（）：寿命评估研究［石油机械，Ｊ．２０１４，４２１６６－６９．
，，ＷＵ ＸｉａｎｍｉｎＹＡＮ Ｔｉｎｕｎ，ＷＡＮＧＤｏｎｓｈｅｎｅｔａｌ． ｇｊｇｇｏｆｔｈｅｆａｔｉｕｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｉｎｓｅｒｖｉｃｅｔｒｕｓｓｅｄｃｒａｎｅＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔ － ｇ］，ｆｏｒｏｆｆｓｈｏｒｅｌａｔｆｏｒｍ［Ｊ．ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｍａｃｈｉｎｅｒ２０１４， ｐｙ（）：４２１６６－６９．
第１３卷第６期２０１５年１２月中 国 工 程 机 械 学 报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｖｏｌ．１３Ｎｏ．６
ｅｃ．２０１５ Ｄ
不同标准在海上平台起重机疲劳
寿命评估中的对比分析
王 欣１，杨智棕１，冯超群２
（）大连理工大学机械工程学院，辽宁大连１中海油能源发展装备技术有限公司，天津３１．１６０２３；２．００４２５
摘要：选取国外４个权威的疲劳评估标准和规范，从名义应力法和热点应力法两方面对它们进行了全面详细的对比．结果显示，在海上平台起重机结构疲劳寿命评估时，可以借鉴Ｄ能够得到合理有ＮＶ和ＩＩＷ推荐的方法，效的寿命预测结果．
关键词：海上平台起重机；疲劳寿命评估；标准比较；名义应力法；热点应力法
（）中图分类号：ＴＧ４０５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－５５８１２０１５０６－０５５０－０６
DOI:10.15999/j.cnki.311926.2015.06.014
Ｃｏｍａｒａｔｉｖｅａｎａｌｓｉｓｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｎｄａｒｄｓｆｏｒｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｙｃｒａｎｅｆａｔｉｕｅｌｉｆｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｇ
１ＷＡＮＧ Ｘｉｎ１，ＹＡＮＧ ＺｈｉｚｏｎＦＥＮＧ Ｃｈａｏｕｎ２－－ｇ，ｑ
（，，；１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏＤａｌｉａｎ１１６０２３，Ｃｈｉｎａ ｇｇｙｇｙ ，）２．ＣＮＯＯＣＥｎｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏ＆ＳｅｒｖｉｃｅｓｉｌｆｉｅｌｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎＣｏ．Ｔｉａｎｉｎ３００４２５，Ｃｈｉｎａ －Ｏ ｇｙｇｙｇｇｊ
：，ＡｂｓｔｒａｃｔＢｓｅｌｅｃｔｉｎｆｏｕｒａｕｔｈｏｒｉｔａｔｉｖｅｓｔａｎｄａｒｄｓｏｒｎｏｒｍｓｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｃｏｍａｒｉｓｏｎｓａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｕｓｉｎ ｙｇｐｇ
，ｎｏｍｉｎａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｈｏｔｓｏｔｓｔｒｅｓｓｍｅｔｈｏｄｓ．Ｆｏｒｔｈｅｆａｔｉａｕｅｌｉｆｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｎｏｆｆｓｈｏｒｅｃｒａｎｅｓｉｔｉｓｔｈｅ － ｐｇｆｒｏｍｒｅｓｕｌｔｓｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｂＤＮＶａｎｄＩＩＷａｒｅａｃｃｅｔａｂｌｅｆｏｒｒａｔｉｏｎａｌｌｉｆｅｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｙｐ ｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．ｐ
：；；；；Ｋｅｏｒｄｓｏｆｆｓｈｏｒｅｃｒａｎｅｆａｔｉｕｅｌｉｆｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓｔａｎｄａｒｄｃｏｍａｒｉｓｏｎｎｏｍｉｎａｌｓｔｒｅｓｓｍｅｔｈｏｄｈｏｔｓｏｔ －ｇｐｐｙｗｍｅｔｈｏｄｓｔｒｅｓｓ
海上平台起重机是海上钻井或生产平台上人
由于作业频繁、环境恶员和物资的重要运输装置．
，劣（海风、潮湿等）海上平台起重机结构长期承受
１］
交变载荷，极有可能发生疲劳破坏［目前，国内外．
应力法或热点应力法进行评估．
本文主要探讨和对比以下４个标准和规范：美
［３］
（国船级社《近海结构疲劳评估导则》以下简称
多数疲劳寿命评估标准只是针对焊接结构，缺少专门针对海上平台起重机结构的疲劳寿命评估标准．美国石油学会标准Ａ海ＰＩＳｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ２Ｃ２０１２《 ｐ
只是推荐采用热点应力法进行上平台起重机规范》
２］
，具体的操作流程没有作详尽的说明．寿命评估［
）、英国标准学会Ｂ钢结构疲劳ＡＢＳＳ７６０８—１９９３《
［４］
（、设计与评估标准》以下简称Ｂ挪威船级社Ｓ）
［５］
《近海钢结构疲劳设计推荐做法》ＤＮＶ－ＲＰＣ２０３－
（、以下简称Ｄ国际焊接学会ＩＮＶ）ＩＷｄｏｃｕｍｅｎｔ
焊接结构疲劳设计推１９６５０３／ＸＶ１１２７０３《ＸＩＩＩ－－－－［］６－７
（以下简称Ｉ它们的评估流程大致荐文档》ＩＷ）．
因此，对海上平台起重机结构进行疲劳寿命评估时，主要是在国内外各个结构件疲劳评估标准的基础上，借鉴应用其标准化的Ｓ－并采用名义Ｎ曲线，
相同，只是在名义应力法和热点应力法选择上存在差异，因此本文采用这两种方法对上述４个标准进行对比分析，力图寻求适合海上平台起重机疲劳寿
“；；基金项目：十二五”国家科技支撑计划项目（国家质检总局科技项目（江苏省产学研联合创新资金２０１１ＢＡＦ０４Ｂ０１）２０１４ＱＫ０９３）
（）；）中海油能源发展股份有限公司科技项目（ＢＹ２０１２０８９ＨＦＫＪ－ＹＪ１３０５：（），，：作者简介王 欣１９７２－女副教授．Ｅ－ｍａｉｌｗａｎｘｂｄ２１＠１６３．ｃｏｍｇ
第６期王 欣，等：不同标准在海上平台起重机疲劳寿命评估中的对比分析５５１
命评估的标准，以提高疲劳评估和寿命预测的精度．
义应力为基本参数，可对简单零构件及常见结构进行全寿命评估，具体流程参见１．各标准名义２节．应力法评估的不同点主要体现在名义应力Ｓ－Ｎ曲线规定及修正、焊接细节、疲劳强度等级分类等方面．
２．１ 名义应力Ｓ－Ｎ曲线
典型结构细节或整个零Ｓ－Ｎ曲线表征了材料、
部件不同应力水平与对应疲劳寿命间的数学关系，反映了结构的抗疲劳强度，是金属部件尤其是焊接
９］结构有限寿命设计的必备数据［名义应力法用一．
１ 海上平台起重机及疲劳寿命评估
流程
１．１ 海上平台起重机概述
海上平台起重机是海洋石油勘探生产中最重通常安装在钻井和生要的生产和安全设备之一，
２］
，供海上平台内或平台与船舶之产作业平台上［
间吊运货物或人员．作为特种设备，海上平台起重
机对海上生产及生活具有重大影响，一旦关键部位发生失效就会造成较大的人身伤亡或财产损失．疲劳失效是海上平台起重机最主要的失效方式之一，这是起重机结构长期承受交变载荷所造成的，一般在焊趾应力集中处容易发生疲劳破坏．所以有必要对海上平台起重机进行疲劳寿命评估，但目前缺少专门针对海上平台起重机的疲劳寿命评估标准．现有的疲劳寿命评估标准只是针对焊接结构，且表述方式和涵盖面有所不同，因此需要对其进行分析比较，选取合适的标准规范作为评估的依据．１．２ 疲劳寿命评估流程
８］
各标准对疲劳寿命评估的流程［基本一致，分
组具有特定存活率的Ｓ－Ｎ曲线来表征焊接细节的）疲劳强度．正应力Ｓ－确定，切应Ｎ曲线一般用式（１力Ｓ－Ｎ曲线与之类似．
（）ｌＮ＝ｌＣＰＳ－ｍ·ｌ１σｎｏｍｇｇｇΔ
式中：Ｎ为用循环次数表示的疲劳寿命；ＣＰＳ表示存活率为Ｐｍ为双对数坐Ｓ时曲线在Ｎ轴上的截距；标系下正应力Ｓ－Ｎ曲线斜率的负倒数；Δσｎｏｍ为加载循环的名义正应力范围．
各标准中的Ｓ－Ｎ曲线使用的都是双对数坐标纵坐标对应力范围Δ横坐标对循环次系，σ取对数，数Ｎ取对数，如图１所示．曲线上拐点表示常幅疲在拐点之前和之后的斜率分别为主斜率劳极限点，
ｍ１和副斜率ｍ２．ＡＢＳ和ＢＳ的Ｓ－Ｎ曲线中，Ｂ等级主斜率ｍ１＝４，其余等级主Ｃ等级主斜率ｍ１＝３．５，斜率均为３．除了等级ＢＤＮＶ的Ｓ－Ｎ曲线中，１和其余等级主斜率均为３．Ｂ２主斜率ｍ１＝４以外，
所有标准Ｓ－ＩＩＷ所有等级主斜率均为３．Ｎ曲线的副斜率值均为ｍ２＝ｍ１＋２．
由图１可见，ＡＢＳ和ＢＳ的Ｓ－Ｎ曲线基本类曲线整体偏下，而Ｄ似，ＮＶ和ＩＩＷ的Ｓ－Ｎ曲线则整体靠上．对于主斜率ｍ１＝３的Ｓ－该Ｎ曲线而言，结果是在疲劳寿命主要为裂纹扩展寿命这一保守
９］
，假设下确定出的［基本符合实际情况，尤其是低
为以下几步：
）结构有限元分析，（确定危险部位．１
（）如果有动应力实测数据，经编谱分析获得２
）危险部位应力幅值谱，然后转到步骤（４．
（）如果没有动应力实测数据，只有载荷谱，３
则可通过载荷谱及有限元模型获得危险部位的应力幅值谱．
（）选择合适的评估方法．通常可以选用名义４
应力法或者热点应力法．
（）根据损伤计算公式，计算累积损伤．５（）根据载荷谱或动应力谱所对应的循环次６
数，由Ｍｉｎｅｒ公式计算危险部位的寿命．
上述４个标准在疲劳寿命评估流程中的区别主要体现在第（步评估方法选择上．名义应力法４）所以本文对这两种方法的差异进行探讨．
疲劳强度等级的焊接细节．２．２ Ｓ－Ｎ曲线修正
而影响疲Ｓ－Ｎ曲线反映了结构的抗疲劳强度，
劳强度的因素很多，归纳起来有材料本质、零件状因此结构疲劳寿命评估时要对Ｓ态和工作条件等，－
板厚是描述零件状态的重要参Ｎ曲线进行修正．
和热点应力法在评估时分别有不同的规定和描述，数，且对疲劳强度影响很大，因此本文主要比较板
厚修正对Ｓ－Ｎ曲线的影响．
对于相同的应力范围，结构的疲劳强度会随着板厚的增大而降低，这是一种尺寸效应，即焊趾处的局部几何形状受附近的板厚尺寸及沿厚度方向
名义应力法是目前应用较广泛的方法，它以名
应力分量的影响．板厚修正公式为：
２ 名义应力法
５５２
中 国 工 程 机 械 学 报第１３卷
平整则不需要厚度修正．ＤＮＶ规定非管接头ｔｒｅｆ管接头ｔ厚度修正系数ｎ＝２５ｍｍ，２ｍｍ，ｒｅｆ＝３如表１所示．
表１ ＤＮＶ厚度修正系数ｎ
Ｔａｂ．１ ＤＮＶｔｈｉｃｋｎｅｓｓｍｏｄｉｆｉｅｄｅｘｏｎｅｎｔｎ ｐ
Ｂ１０ Ｆ１
Ｂ２０ Ｆ３
Ｃ
Ｃ１
Ｃ２
Ｄ
Ｅ
Ｆ０．２５
０．１５１５１５２０２０ ０． ０． ０． ０． Ｇ
Ｗ１
Ｗ２
Ｗ３
Ｔ
０．２５２５２５２５２５２５ ０． ０． ０． ０． ０．ＳＣＦ为结构的应力集中系数． 注：
（）０．２５ＳＣＦ≤１０
（）０．３０ＳＣＦ＞１０
对于图２所示接头，当ＩＩＷ规定，ｔ２５ｍｍ， ｒｅｆ＝
／否则ｔ＝焊趾间距Ｌ满足Ｌｔ≤２时
，ｔ０．５Ｌ， ｒｅｆ＝
［］
厚度修正系数ｎ见ＩｔＩＷ规范６－７．ｒｅｆ，
图２ 焊趾间距Ｆｉ．２ Ｗｅｌｄｔｏｅｄｉｓｔａｎｃｅ ｇ
），只是参考板２ ４个标准对厚度修正都采用式（厚和厚度修正系数选取不同．其中ＤＮＶ给出了每个疲劳强度等级下的厚度修正系数，较为具体和详细，疲劳评估时可以优先参考ＤＮＶ的厚度修正方另外，厚度修正不但适用于名义应力法疲劳寿法．
命评估，而且适用于热点应力法疲劳寿命评估．２．３ 焊接细节
各标准中每条Ｓ－Ｎ曲线均对应于具有相近疲其疲劳性能与接头形式及受力劳性能的焊接细节，
图１ ４个标准的名义应力Ｓ－Ｎ曲线
Ｆｉ．１ ＮｏｍｉｎａｌｓｔｒｅｓｓＳ－Ｎｃｕｒｖｅｆｏｒｆｏｕｒｃｏｄｅｓ ｇ
与材料的静强度无关．对于海上平台起情况有关
，
重机，箱型臂中存在很多横向、纵向、十字和丁字焊接接头，管接头多见于桁架臂上，如图３所示．
ｒｅｆ
Δσσｔ＝Δ
ｔ
）
ｎ
（）２
式中：ΔσΔσ为未修ｔ为修正后该构件的应力范围；正时该构件对应疲劳等级的应力范围；ｔｒｅｆ为参考板若ｔ≤ｔ取ｔ＝厚；ｔ为待评估构件的板厚，ｔｎｒｅｆ，ｒｅｆ；为厚度修正系数．
对于非管接头参考板厚ｔＡＢＳ规定，２ｒｅｆ＝２管接头ｔ即待评估构件的板厚ｔｍｍ，２ｍｍ，ｒｅｆ＝３修正，且厚度修正系数ｎ＝０．ｔ２）２５．＞ｒｅｆ时按式（
，只是参考板２）ｎ＝０．２５，ＢＳ厚度修正也使用式（
厚ｔ且规定，焊缝余高经过机械打磨１６ｍｍ；ｒｅｆ＝
图３ 几种典型接头细节实例
Ｆｉ．３ Ｓｅｖｅｒａｌｔｉｃａｌｅｘａｍｌｅｓｆｏｒｏｉｎｔｓｄｅｔａｉｌ ｇｙｐｐｊ
第６期王 欣，等：不同标准在海上平台起重机疲劳寿命评估中的对比分析５５３
从 表２给出了各标准中接头细节类型与个数．
表中不难发现，特别ＤＮＶ和ＩＩＷ中接头形式最多，是Ｉ对ＩＷ包括了多达７６个焊接接头的Ｓ－Ｎ曲线，实际工程应用非常有利．
表２ 各标准中接头细节类型与个数
ｏｉｎｔＴａｂ．２ Ｊｄｅｔａｉｌｔｅａｎｄｎｕｍｂｅｒｏｆｆｏｕｒｃｏｄｅｓ ｙｐ
接头类型个数
标准或规范
ＡＢＳ ７ ４４
ＢＳ ８ ５１
ＤＮＶ １０ ６６
ＩＩＷ９７６
图４ 两点线性外推法示意图
Ｆｉ．４ Ｓｔｒｅｓｓｅｘｔｒａｏｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｗｏｏｉｎｔｓ ｇｐｐ
因此需要剔除缺口应力中的非线性应力成分，而结因此可以使用表面外推插值法构应力是线性应力，
］１２
对焊趾处的热点应力进行提取［目前，各个标准获．
２．４ 疲劳强度等级
它指的是ＩＩＷ用ＦＡＴ值表征疲劳强度等级，
取热点应力大多采取有限元分析或者贴应变片获取的方法，而它们对于插值点的规定又不尽相同．ＡＢＳ推荐外推点选取在距离焊趾０．５ｔ和１．５ （处，但是在管接头评估时要考虑应力集ｔｔ为板厚）中系数的影响．典型接头的热点应力等于ＢＳ规定，应力集中系数乘以名义应力，对于标准应力集中系数不适用的接头，通过距焊趾０．４ｔ或者更远处的 应力来外推热点应力．ＤＮＶ推荐了两点线性外推公式和适用于管接头的外推公式，前者在距离焊趾外推公式为式０．５ｔ和１．５ｔ处分别测量应力值， （）；后者对于弦杆和腹杆分别取不同的外推点，如３
）
图５所示，外推公式为式（４．
Ｓ－Ｎ曲线中２×１０次应力循环点所对应的强度数
７
据，其余３个标准均以１×１次循环所对应的强度０
６
数据来划分疲劳强度等级．为了便于比较，笔者计算了其余３个标准中的Ｆ表３是４个标准ＡＴ值．中一些主要接头形式的ＦＡＴ值对比．
评估时根据所选焊接细节及受力方式选择对应的疲劳强度等级，进而选择相应的Ｓ－由Ｎ曲线．
对表３可见，ＡＢＳ和ＢＳ曲线的ＦＡＴ值完全一致．绝大多数接头细节，ＤＮＶ和ＩＩＷ曲线的ＦＡＴ值都
且它们的Ｆ对于低于另两个标准，ＡＴ值较为一致，其Ｆ某些焊接细节，ＡＴ值几乎相同．ＩＩＷ标准对焊接细节的分类比较详细为明确和详细的规定．
［９］
，提供了多达１４条疲劳
设计Ｓ－且对各焊接细节的制造工艺亦有最Ｎ曲线，
３ 热点应力法
热点应力法主要针对焊缝疲劳进行寿命评
１０］
，估［以热点应力为基本评估参数，在工程上很受
欢迎．它不需要考虑由焊缝本身引起的非线性应力峰值的影响，而且理论上可以只用一条Ｓ－Ｎ曲线来评估不同类型焊接接头的疲劳强度，避开了名义应
１１］
力法的缺陷［具体评估流程参见１．使用热．２节．
图５ 管接头热点应力插值
Ｆｉ．５ Ｓｔｒｅｓｓｅｘｔｒａｏｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｕｂｕｌａｒｏｉｎ
ｔ ｇｐｊ
如何获取热点应力以及选择准确的热点应力法时，
点应力Ｓ－因此下面从这两方Ｎ曲线显得尤为重要，面对各标准的热点应力法进行对比分析．
３．１ 热点应力的获取
结构中的“热点”是指结构不连续 如图４所示，
或者切口中可能发生疲劳裂纹的位置，而这些位置”，中结构应力的最大值被称为“热点应力（它主σｈｓ）要由线性的膜应力和弯曲应力组成．热点应力法不需要考虑由焊缝局部细节引起的非线性应力集中
，
图６ ＩＩＷ推荐的热点应力外推插值方法Ｆｉ．６ ＨｏｔｓｏｔｓｔｒｅｓｓｅｘｔｒａｏｌａｔｉｏｎｆｏｒＩＩＷ ｇｐｐ
．５．５σｈσσｓ＝１０．５ｔ－０１．５ｔ
（）３（）４
σｈｓ＝
Ｘ２σＸ１－Ｘ１σＸ２
Ｘ２－Ｘ１
５５４
中 国 工 程 机 械 学 报第１３卷
式中：对于弦杆，Ｘ１和Ｘ２表示外推点的位置，Ｘ１对于腹杆，＝０．２ｔＸ２＝０．４ＴｒｔＸ１＝０．２
４
其中的ｒ和Ｒ分别是腹杆和弦ｔＸ２＝０．６５ｔ．杆半径，ｔ和Ｔ分别是腹杆和弦杆壁厚．
表３ 标准中典型接头细节的疲劳强度ＦＡＴ值Ｔａｂ．３ ＦＡＴｖａｌｕｅｓｏｆｔｉｃａｌｄｅｔａｉｌｉｎｃｏｄｅｓｏｉｎｔｓ ｙｐｊ
连接类型
焊缝磨平
ＡＢＳ １２４
ＢＳ １２４
ＤＮＶ １１２
ＩＩＷ１２５
ＭＰａ
焊态接头
横向承载
焊接接头
（手工或自动焊，且９１
）平焊
（焊缝磨平和平焊８０
以外的情形）（带垫板单面焊）６８
（平焊）９１
（非平焊）８０
（平焊，焊趾角度１００
ｏ）（小于３９０焊凸部分不能超过焊缝宽０
（度的１不满足１０％）８０００
（）焊凸部分不能超过焊缝宽时的情况８０
（度的２带垫板单面焊）０％）７１
（（带垫板单面焊，非角焊缝）６单面焊，根部无损７１３（，））带垫板单面焊角焊缝探伤５０
（部分焊透双面焊）４５（焊缝过渡处圆弧半径与窄６３
）板宽度比值大于０．１６
（焊缝过渡处圆弧半径与窄５６
）板宽度比值小于０．１６
１５０
（自动焊，无起停１２４
弧点）（有起停弧点）９１（无工艺孔边）８０（６８有工艺孔边）
丁字对焊
６０ ６０５０
平接或Ｋ形
对接焊缝
纵向承载焊接接头
（对接焊缝，焊缝１５０
无损探伤）磨平，
１５０
（焊缝磨平，无起１２５
停弧点并经无损探伤
的焊态焊缝）（自动焊／手动焊，１２５
无起停弧点）（有起停弧点）９０（无工艺孔边）８０～３６（７１～３６有工艺孔边）（无层状撕裂，轴向８０
偏心小于板厚０．１５倍，焊趾磨削）（不满足８７１０的情况）（无层状撕裂，轴向６３
偏心小于板厚０．１５
倍，焊态）（无层状撕裂，轴向６３
偏心小于板厚０．１５
倍，焊态）
连续角焊缝
（（自动焊／手动焊，１自动焊，无起停１２４２４
无起停弧点）弧点）（（有起停弧点）有起停弧点）９１９１（无工艺孔边）８０（６８工艺孔边）
（无工艺孔边）８０
（６８有工艺孔边）
断续角焊缝
Ｋ形对接焊缝
十字或丁字
焊接接头
（完全熔透焊，６８
焊趾磨削）（磨削修整６８
咬边）
（完全熔透焊）７１
部分焊透焊缝 （焊趾磨削）６０（磨削修整咬边）６０
３６
角焊缝（焊趾磨削）６０（磨削修整咬边）６０
３６
ＩＩＷ推荐了两点线性外推和三点两次外推插
如图６所示．前者在距离焊趾０．值方法，４ｔ和１．０ 然后进行线性插值得ｔ处分别取两点测其应力值，
）；外推公式见式（后者分别在距焊趾到热点应力，５，外推公式见式０．４ｔ０．９ｔ和１．４ｔ处选取插值点，
（）６．
．６７．６７σｈσσｓ＝１０．４ｔ－０１．０ｔ
（）５
）．５２．２４．７２６σｈσσσｓ＝２０．４ｔ－２０．９ｔ＋０１．４ｔ（
海上平台起重机疲劳寿命评估主要针对管接头和板接头．在管接头上应用较多的是表面线性插虽然三点两次外推法更加精确，但是不值外推法，
１０］
，同的表面线性插值法对结果的影响并不大［因
３．２ 热点应力Ｓ－Ｎ曲线
各标准都做了大量的试验以确定热点应力Ｓ－其中Ａ对于非管接头，推荐将图Ｎ曲线．ＢＳ规定，
对于管接１ａ中的Ｅ曲线作为热点应力Ｓ－Ｎ曲线；头有专门的一条Ｔ（曲线．Ａ）ＢＳ对于管接头给出了Ｔ曲线，它是一条理想的热点应力Ｓ－近Ｎ曲线，似于ＩＩＷ中的ＦＡＴ９０曲线．ＤＮＶ推荐将图１ｃ中的Ｄ曲线作为热点应力Ｓ－对于管接头给Ｎ曲线，它和Ｄ曲线是一致的．出了Ｔ曲线，ＩＩＷ给出了７
种典型板接头的热点应力Ｆ对应的曲线ＡＴ等级，，对于管接头没有直接可以选用的热点参考图１ｄ应力Ｓ－图７将各标准中的热点应力Ｓ－Ｎ曲线．Ｎ曲线作了汇总．
除了ＡＢＳ中适用于 从以上分析和图７可知，非管接头的Ｅ曲线之外，其余标准中热点应力Ｓ使Ｎ曲线和ＩＩＷ给出的ＦＡＴ９０曲线几乎重合，－
此可以选取ＤＮＶ推荐的更为适合管接头的表面插值方法；板接头用热点应力法进行疲劳寿命估算时，外推插值可以选取Ｄ或者ＮＶ推荐的式（３））ＩＩＷ推荐的式（５．
第６期王 欣，等：不同标准在海上平台起重机疲劳寿命评估中的对比分析
５５５
［［］２］ＰＩＳｅｃ２ＣＯｆｆｓｈｏｒｅｅｄｅｓｔａｌｏｕｎｔｅｄｃｒａｎｅｓＳ．２０１２． Ａ －ｍ ｐｐ［［３］ＢＳ．ＧｕｉｄｅｆｏｒｔｈｅｆａｔｉｕｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅＺ］．２００３ Ａ ｇ
（）ＵｄａｔｅｄＮｏｖｅｍｂｅｒ２０１０． ｐ
［４］Ｓ７６０８．Ｃｏｄｅｏｆｆｏｒｆａｔｉｕｅｄｅｓｉｎａｎｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｒａｃｔｉｃｅ Ｂ ｇｇｐ
［］ｏｆｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅＳ．１９９３．
［５］ＮＶ ＲｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄＤＮＶ－ＲＰ２０３．Ｆａｔｉｕｅｄｅｓｉｎｒａｃｔｉｃｅ Ｄ －Ｃ ｇｇｐ
［：，ｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅＺ］．ＮｏｒｗａＤｅｔＮｏｒｓｋｅＶｅｒｉｔａｓ ｙ２００６．
［６］ＢＢＡＣＨＥＲＡ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓｆｏｒｆａｔｉｕｅｄｅｓｉｎｏｆ ＨＯ ｇｇ
］：ｗｅｌｄｅｄａｎｄｃｏｍｏｎｅｎｔ［Ｍ］．［Ｓ．ｌ．ＩＩＷＪｏｉｎｔｏｉｎｔｓ ｐｊ，ＷｏｒｋｉｎＧｒｏｕＸＩＩＩＷｏｏｄｈｅａｄＰｕｂｌｉｓｈｉｎ２００３．－ＸＶ． ｇｐｇ
图７ 不同标准的热点应力Ｓ－Ｎ曲线
Ｆｉ．７ ＨｏｔｓｏｔｓｔｒｅｓｓＳ－Ｎｃｕｒｖｅｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｃｏｄｅｓ ｇｐ
［７］ＢＢＡＣＨＥＲＡ．ＴｈｅｅｗＩＷｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓｏｒ ＨＯ ｎ Ｉ ｒ ｆ
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用时可直接选用Ｆ评估时热点应力ＳＡＴ９０曲线．－
Ｎ曲线与外推插值方法应取自同一标准．
４ 结语
（）对海上平台起重机结构进行疲劳寿命评１
估时，如果可以在标准中找到待评估的接头类型以及Ｓ－可以用名义应力法进行寿命估算；对Ｎ曲线，有时难以明确接头的分类、于更复杂的焊接接头，
名义应力的大小和分布位置，推荐使用热点应力法进行寿命评估．
（）制造工２４个标准中，ＩＩＷ对焊接细节分类、
也更为实用和符合实际，艺等方面描述最为详细，
因此采用名义应力法进行评估时，优先考虑采用ＩＩＷ．
（）使用热点应力法评估时，对于管接头，３
ＤＮＶ给出了专门的热点应力外推公式以及Ｓ－Ｎ
曲线；对于板接头可以参考Ｄ这对ＮＶ或者ＩＩＷ，海上平台起重机结构寿命评估有借鉴意义．参考文献：
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