GB/T 33508-2017 立管疲劳推荐作法

ICS75.180.10「___________

ES

中华人民共和国国家标准

GB/T33508—2017

立管疲劳推荐作法

Recommendedpracticeforriserfatigue

2017-02-28发布2017-09-01实施

发布

GB/T335082017

目次

前言in

i范围1

2规范性引用文件1

3术语、定义、符号、代号和缩略语1

3.1术语和定义1

3.2缩略语5

3.3符号5

3.4希腊字符7

4疲劳设计7

4.1总则7

4.2使用S-N川］线进行疲劳评估8

4.3疲劳损伤评估程序10

4.4整体疲劳分析程序10

4.5疲劳应力11

4.6裂纹扩展计算疲劳评估12

5S-N曲线13

5.1总则13

5.2双斜率S-Nrill线：SY/T1004913

5.3单斜率S-N|11|线13

5.4例外和删减范围13

5.5应力集中系数13

5.6S-N曲线的选择14

5.7S-N曲线评定15

6涡激振动（VIV）引起的疲劳损伤15

6.1VIV分析15

6.2验收准则17

6.3简化的疲劳损伤评估17

6.4缓解VIV的方法20

7组合的疲劳损伤21

7.1总则21

7.2验收准则21

7.3组合的WF和LF疲劳损伤21

7.4与VIV疲劳损伤组合22

8设计疲劳系数22

8.1总则22

8.2标准的设计疲劳系数23

I

GB/T335082017

8.3基于增强风险的安全系数23

8.4基于具体丁况的结构可靠性分析的安全系数30

8.5VIV安全系数30

9疲劳寿命延寿评估31

9.1在役疲劳检测31

9.2疲劳寿命延长32

9.3剩余疲劳寿命评估32

附录A（规范性附录）疲劳损伤评估34

附录B（规范性附录）安全原理和安全级别46

参考文献47

图1双斜率S-N曲线的基本定义9

图2弯曲应力的计算12

图3激发长度的一般速度剖面（最后一种丁况下,两部分相加得出/〜°）18

图4（A/Dh）rmsCF为激发长度的函数19

图5（A/Dh）rmsn/（A/Dh）rmsCF为交叉流模数的函数19

图6详细步骤26

图7从响应面到27

图A.1高频和低频响应和组合响应简图38

图A.2在焊缝位置修改的端部厚截面40

图A.3设计寿命15年的安全系数42

图A.4设计寿命20年的安全系数43

图A.5设计寿命25年的安全系数44

图A.6设计寿命30年的安全系数45

表1典型的疲劳评定程序汇总表8

表2典型的立管焊缝几何形状14

表3设计疲劳系数DFF23

表4安全级别系数Ac24

表5式（29）采用的系数25

表6随机变量28

表B1安全级别分类46

表B2可接受的失效概率（每根立管每年）与安全级别的对比46

n

GB/T335082017

■>r■—>—

刖弓

本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本标准由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会(SAC/TC96)提出并归口。

本标准起草单位：国家油气钻井装备工程技术研究中心、宝鸡石油机械有限责任公司、中国石油大

学(北京)、中海油研究总院、中海油田服务股份有限公司钻井研究院。

本标准主要起草人:杨玉刚、陈才虎、朱宏武、颜波、李清平、王春春。

GB/T335082017

立管疲劳推荐作法

1范围

本标准规定了立管疲劳分析有关的推荐作法。

本标准适用于所有类型金属立管的疲劳极限状态评估。然而，8.2中给出的标准设计疲劳系数只

适用于钢制立管。本标准的评估程序适用于按照任何公认规范设计的立管，如DNV-OS-F20E

注1：本标准的目的是表述金属立管承受重复载荷波动的疲劳评估方法，并对DNV-OS-F201推荐的疲劳分析方法

进行补充。见SY/T10049。疲劳设计的目的是为了确保立管有足够的疲劳寿命。计算的疲劳寿命是立管

在制造和作业期间制定有效检测程序的基础。

注2：为了确保立管完成其预期的功能，宜对承受疲劳载荷的每一个代表性的立管进行疲劳评估（如适用，通过详

细的疲劳分析支持）。宜注意立管的任何构件或零件、每一个焊接接头和附件或其他形式的应力集中是潜在

的疲劳裂纹源，宜分别予以考虑。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

SY/T10049-2004海上钢结构疲劳强度分析推荐作法

ISO2394:1998结构可靠性总原则（Generalprinciplesonreliabilityforstructures）

BS7910金属结构裂纹验收评定方法指南（Guideonmethodsforassessingtheacceptabilityof

flawsinmetallicstructures）

DNV-CN-30.6海洋结构物的结构可靠性分析(Structuralreliabilityanalysisofmarinestruc-

tures)

DNV-OS-E301系泊定位(Positionmooring)

DNV-OS-F201动态立管(Dynamicrisers)

DNV-RP-C205环境条件和环境载荷(Environmentalconditionsandenvironmentalloads)

DNV-RP-F204:2010立管疲劳推荐作法(RiserFatigue)

UKDOE：1984英国能源部海上设施设计和施丁-指南(Offshoreinstallations：Guidanceon

designandconstruction)

3术语、定义、符号、代号和缩略语

3.1术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1.1

腐蚀余量corrosionallowance

管子或构件壁厚允许腐蚀和（或）侵蚀和（或）磨损所增加的量。

3.1.2

设计疲劳系数designfatiguefactors；DFF

安全系数用来增加避免疲劳失效的概率。使用寿命应施加DFF,计算的疲劳寿命应比使用寿命和

I

GB/T33508—2017

DFF的乘积长。

3.1.3

环境载荷environmentalioads

由于环境而产生的载荷，例如波浪、海流、风等。

3.1.4

延长的使用寿命extendedservicelife

构件原定使用寿命的延长，超出了在设计阶段计划的使用寿命。延长的使用寿命指从安装时开始

计算,直到延长的使用寿命结束。

3.1.5

失效failure

造成不良状况的事件，例如构件或系统功能的损失或功能能的下降，显著地影响到装置、人员

或环境的安全。

3.1.6

疲劳fatigue

循环加载导致材料退化。

3.1.7

疲劳极限状态fatiguelimitstate；FLS

因循坏载荷作用而可能引起失效。

3.1.8

浮式设施floater

通过临时或永久性的系泊系统漂浮或固定到海底的浮力装置。

3.1.9

浮式设施偏移floateroffset

浮式设施的总偏移，考虑浮式设施的平均偏移、波频运动、低频风和波浪运动。

3.1.10

浮式设施平均偏移floatermeanoffset

海流、风和波浪的稳定力所产生的偏移。

3.1.11

浮式设施波频运动floaterwavefrequencymotions

波频(WF)运动是一阶波浪力作用于浮式设施的直接后果，导致平台周期运动，通常周期为3s~25so

3.1.12

断裂分析fractureanalysis

该分析识别设计载荷下的临界初始缺陷尺寸，以确定裂纹扩展寿命是否失效，即泄漏或不稳定

断裂。

3.1.13

整体分析globalanalysis

分析完整的立管系统。

3.1.14

检验inspection

测量、检测、测试、测定物品或服务的一个或多个特，并将结果与规定要求进行比较，以确定符合

性的活动。

2

GB/T335082017

3.1.15

安装installation

立管系统安装相关的操作，例如立管单根送入、座放和连接，或悬链式立管铺设、回接等。

3.1.16

极限状态limitstate

超出该状态，立管或立管零部件不再满足对其性能或操作规定的要求。例如结构失效（断裂、局部

屈曲）或操作极限（冲程或间隙）。

3.1.17

载荷load

载荷指在立管中引起应力、应变、变形、位移、运动等的物理效应。

3.1.18

载荷效应loadeffect

单个载荷或组合载荷对结构的响应或效应，如弯矩、有效张力、应力、应变、变形等。

3.1.19

载荷和抗力系数设计loadandresistancefactordesign；LRFD

基于极限状态和分项安全系数方法的设计方法。分项安全系数方法是对每个载荷效应（响应）和抗

力项单独施加系数的方法。

3.1.20

区域类别locationclass

根据人们常规活动地点的距离进行地理区域分类。

3.1.21

低频（LF）运动lowfrequency（LF）motion

浮式设施在纵荡、横荡和首尾摇固有周期或附近，波频以下频率的运动响应。低频运动（LF）的周

期通常为30s~300so

3.1.22

无损检测non-destructivetesting；NDT

用射线、超声波、磁粉或涡流探伤对焊缝或母材进行的结构测试和检验。

3.1.23

作业，正常作业operation,normaloperation

立管系统常规（正常）作业的条件。

3.1.24

服役前使用寿命priorservicelife

构件从安装起服役持续的时间。如适用，持续时间是从安装或生产时间开始计算。

3.1.25

换算速度reducedvelocity

用于评估由涡流分离力产生的涡激振动（VIV）的无量纲速度参数。

3.1.26

剩余使用寿命residualservicelife

构件从这个时间点开始（从现在）未来服役的持续时间。持续时间是从现在开始计算，直到组件服

役结束。

3.1.27

立管组riserarray

由垂直或接近垂直的立管组成的立管系统。通常，该组分布的立管可多达20个。

3

GB/T33508—2017

3.1.28

立管构件risercomponent

立管系统的任何一部分可能承受内部流体的压力。这包括法兰、接头、应力接头、拉伸接头、挠性接

头、球接头、伸缩接头、滑动接头、三通、弯管、异径接头和阀门等。

3.1.29

立管单根riserjoint

由中段的一根管子构件组成，两端具有立管连接器。也可提供较短的单根“短节”，确保适当的

间距。

3.1.30

立管主管riserpipe（risertube）

形成立管单根主管道的管子。例如，立管是容纳从油井到地面采油树的产出液的通道。

3.1.31

立管张紧系统risertensionersystem

给立管柱施加张力的装置,补偿浮式设施和立管之间的相对垂直运动（冲程）。张力变化是由该装

置的刚度控制。

3.1.32

基于风险的安全系数riskbasedsafetyfactors

基于风险情况施加的特定安全系数，以增加避免疲劳失效的概率。

3.1.33

安全级别safetyclass

本标准中采用的对立管系统关键性分类的原则。

3.1.34

安全级别系数safetyclassfactors

“基于风险的疲劳准则”中所用的系数，该系数与安全级别相关。

3.1.35

安全系数safetyfactors

见3.1.2。

3.1.36

筛选分析screeninganalysis

用来设定问题，以识别是否宜采用更先进的分析和方法。

3.1.37

使用寿命servicelife

设计假定的构件服役的时间长度。

3.1.38

S-N疲劳曲线S-Nfatiguecurve

应力范围与失效循环数的关系曲线。

3.1.39

应力放大系数stressamplificationfactor；SAF

等于构件（机械连接器）中的局部峰值交变主应力除以构件位置附近的公称交变主应力。该系数用

来说明立管构件中出现的几何应力放大引起的应力增加。

3.1.40

应力集中系数stressconcentrationfactor；SCF

等于构件（包括焊缝）中的局部峰值交变主应力除以构件位置附近的公称交变主应力。该系数用来

4

GB/T335082017

说明立管构件中出现的几何应力放大引起的应力增加。

3.1.41

不确定度uncertainty

通常，不准确度可以通过一个概率分布函数来表述。在本标准中，概率分布函数是通过变量的偏差

和标准偏差来表述的。

3.2缩略语

下列缩略语适用于本文件。

API——美国石油学会

CF——交叉流动

DFF—设计疲劳系数

DFI——设计制造安装

DNV——挪威船级社

EPC-丁.程采购建造

FD——频域

FEED—前端工程设计

FEM—有限元法

FLS—疲劳极限状态

FPSO-—浮式生产储卸油装置

IL顺流向

LF——低频

LRFD——荷载和抗力系数设计

LTD——线性化时域

MWL-——平均水平面

NB——窄频带

NDP-挪威深水项目

NLTD—非线性时域

RFC——雨流计数法

RP——推荐作法

SCF——应力集中系数

SCR——钢悬链立管

TD——时域

TDP着陆点

TDZ着陆区

TLP-张力腿平台

TTR-顶部张紧式立管

VIV—涡激振动

WF波频

2D两维

3D二维

3.3符号

下列符号适用于本文件。

5

GB/T335082017

77——设计S-N曲线（应力-寿命曲线）对数N轴的截距

订二——模数i的交叉流VIV均方根振幅

4爲——模数i的顺流向VIV均方根振幅

4汇——交叉流VIV响应位移振幅的均方根值

人:爲一一顺流向VIV响应位移振幅的均方根值

D——疲劳损伤外径

。休累积疲劳损伤

DVIV-ST-极端VIV事件（短期事件）的疲劳损伤

Dviv——仅VIV的累积疲劳损伤

DFF—设计疲劳系数

DFFVIV——VIV设计疲劳系数

DFFwst——极端VIV事件（短期事件）的设计疲劳系数

Dh——流体动力直径

Di——短期疲劳损伤和（或）内径

Dprim——服役前使用寿命每年计算的疲劳损伤

DResidual——剩余使用寿命每年计算的疲劳损伤

以Or）——随机疲劳损伤

Ds——强度直径（钢外径）

DCs）——基本T况疲劳损伤（决定性的）

E——弹性模数

/CF—交叉流VIV振荡频率

严一一顺流向VIV振荡频率

/0——单位时间应力循环平均数

/,——斯托哈尔频率

仁（5）一一应力循环的概率密度函数

/V——应力循环的平均频率

I——管材的惯性矩

L如——相对重要系数

K——厚度指数

Lexc—VIV计算的激振长度

m,m,S-N[III线的负反斜率;裂纹扩展参数

N1亘定应力范围S内失效的循环数

Nsw—一S-N|il|线2个斜率出现斜率变化的循环数

——波浪散布图上的离散海面状况的数量

Pf失效概率（每立管每年）

Pi——海面状况概率

So公称应力范围

5轴向应力

sM——弯曲应力

SCF——应力集中系数

St,eff——Ueff有关的有效斯托哈尔数

Ssw——S-N|ll|线2个斜率交叉点的应力

tcorr腐蚀余量

6

GB/T33508—2017

&——疲劳厚度

/nom立管（规定的）公称壁厚

tref参考厚度

T设计使用寿命（年）

Te有效张力

TCalculated-计算的疲劳寿命（年），没有施加DFF

TExtended-延长的使用寿命（年）

TPri（）r——服役前使用寿命（年）

TResidual剩余使用寿命（年）

Ueff——VIV计算的有效流速

Xn——规范化疲劳利用

X：——随机变量

xm＜）d——模型不确定

局部坐标系

3.4希腊字符

下列希腊字符适用于本文件。

a偏差

△——VIV频带宽参数

y——安全系数

/——失效结果的安全级别系数

K——模数为，的曲率

角坐标

P——流体（水）密度

e标准偏差;公称应力

叽——S-Nlil］线截距对数的标准偏差

心应力标准差

,5——疲劳损伤的不确定（规范化疲劳利用的标准偏差）

4疲劳设计

4.1总则

通常，构件的疲劳寿命可分成两个阶段：裂纹的产生期和裂纹的扩展期。就非焊接构件（例如无缝

钢管和机械加工件）而言,裂纹的产生期代表了总疲劳寿命的大部分时间。这在疲劳寿命长时特別明

显，疲劳裂纹产生期可能超过疲劳寿命的95%。就机械加工件而言，一旦疲劳裂纹扩展到可检测的尺

寸，实际上,构件的使用寿命就快要结束，如果不可能修理，通常，构件将停止服役。

就焊接接头而言，通常，焊趾和（或）焊根存在不连续。这些表现为原始裂纹。因此，焊接接头疲劳

寿命的大部分可归结为疲劳裂纹扩展。

母材和焊接接头裂纹起始阶段的差异显著影响整体疲劳性能。通常，由于强度较高材料的起始寿

命增加，因此，非焊接构件的疲劳强度会随着材料拉伸强度的增加而增加。然而，就焊接接头而言，因为

焊接接头疲劳寿命的大部分在扩展阶段，因此，疲劳强度相对来说不受材料拉伸强度影响。虽然裂纹扩

展率可随材料和环境而变化，但裂纹扩展率与拉伸强度没有必然的联系。

7

GB/T335082017

4.2使用S-N曲线进行疲劳评估

本标准主要根据S-N曲线方法进行疲劳评估。如适用，也可根据4.6简述的断裂力学进行疲劳

分析。

表1所示为立管疲劳设计的典型程序。

表1典型的疲劳评定程序汇总表

任务注解

定义疲劳载荷根据作业极限，包括WF、LF和可能的VIV载荷效应

识别所要评估的位置结构不连续、连接(管道环形焊缝、接头、螺栓)、阳极附着焊缝、修理等

立管整体疲劳分析在每一个识别位置,计算短期公称应力范围分布

局部连接应力分析根据参数方程或详细的有限元分析确定热点SCF

识别疲劳强度数据SN曲线取决丁环境、施工详图和制造等

识别厚度校止系数采用厚度校正系数计算产生的疲劳应力

疲劳分析根据加权短期疲劳损伤计算积累疲劳损伤

提髙疲劳能力，采用：

——更严密的应力分析；

——断裂力学分析；

如果疲劳寿命太短，进一步计划改变几何结构细节；

改变系统设计；

——焊缝成型或打磨；

改进检査和(或)更换计划

应满足的疲劳准则可表示为式(1):

DfntXDFF<1(1)

式中：

Of.——累积疲劳损伤［线性累积损伤准则(Palmgren-Minerrule)］；

DFF——设计疲劳系数，见第8章。

设计S-N曲线宜根据相关实验数据的平均值减去两个标准偏差的曲线，见SY/T10049。

基本疲劳能力采用S-N|11|线给出，表示在一个给定的恒定应力范围S内，失效的应力循环数N,

见式(2)：

N=砧-"'(2)

或相当于式(3)：

log(N)=log(~)—wlog(S)(3)

式中77和加是通过实验确定的经验常数’

疲劳损伤计算所要采用的应力范围，通过公称应力范围施加应力集中系数和厚度校正系数来建立,

见式(4):

S=S°XSCFX(严)'(4)

式中：

So公称应力范围；

GB/T335082017

SCF——应力集中系数;

厚度校正系数。

典型的管子平均壁厚表示为/加，用式(11)定义。厚度校正系数适用于壁厚(hQ大于参考壁厚

(gf=25)的管子。厚度指数斤是实际结构设计的函数，因此也与&N|11|线相关，见SY/T10049-

2004第2章。

!'；

IIrrlrrII

l.E+03l.E-HJ4LE4O51.E4-06l.E+OT1.1：X)Hl.E+091.E4-I0

图1双斜率S-N曲线的基本定义

对数坐标下的双线性(双斜率)S-NIlli线常常适用于表示实验疲劳能力数据，即：

piXS-iS〉Ssw

N=S(5)

MxS"S£Ssw

mx和加2是疲劳指数(双线S-NIlli线的反斜率)，S和s是典型的疲劳强度常数,双线性(双斜

率)S-N曲线定义为平均值减去两个标准偏差的曲线。Ssw是两条&N曲线交点的应力，表示为

式(6)：

log(ai)—log(Nsw)

Ssw=10(6)

wi

式中:

Nsw—一斜率出现变化的循环数。通常，log(Nsw)是6〜7。见SY/T100490

线性累积损伤准则(TheMiner-Palmgrenrule)适用于应力循环范围变化的疲劳损伤累积，见

式⑺：

式中：

"(SJ范围5的应力循环数；

N(S,)——式(3)表示的失效应力循环数。

对于对数坐标下的线S-N曲线,单位时间内预期的疲劳损伤可以表示为式(8)：

D=△了、(s)ds=±E[S叮(8)

aJci

o

式中：

f0——单位时间的应力循环平均数；

9

GB/T335082017

人(s)——应力循环的概率密度函数(PDF)。

因此，预期的疲劳损伤直接关系到应力循环PDF第加阶矩或外)。对于对数坐标下的

双线S-N曲线，相应的表达式变为式(9)：

九(.皿+紂

/s(.Od.s-

式(8)和式(9)构成式(10)表示的每一个固定环境条件短期疲劳损伤评估的基本公式。

式(8)和式(9)也可以适用于直接根据应力循环的长期分布来计算长期疲劳损伤。长期响应分布确

定方法的介绍，见DNV-OS-F201o

这直接将上述方法延伸至三斜率S-N|11|线。

4.3疲劳损伤评估程序

立管系统的疲劳分析宜考虑所有相关的循环载荷效应,包括：

阶波效应(直达波载荷和相关的浮式设施运动)；

——浮式设施二阶波运动；

涡激振动；

——热和压力引起的应力循环；

碰撞；

——Spar和其他深吃水浮式设施的船体VIV运动；

内部流体段塞流效应；

——其他概念的特定载荷条件，例如TLPs的弹簧运动；

——制造和安装载荷。

应考虑所有相关的操作模式，包括连接、送入和悬挂等。其相对重要性依据具体工况而定。本标准

提供了三方面重要指南：波浪引起的疲劳损伤、低频率和涡激应力循环。本章论述前两个问题，第6章

论述最后一个问题。

波频和低频疲劳损伤的一般方法基于下列程序：

——波浪环境散布图分为许多典型的区块；

-在每一个区块内，选择一个单一的海况代表该区块内的所有海况。该区块内所有海况发生的

概率都汇总到选定的海况；

注：每一个区块选择海况的损伤宜等于或大于该区块内所有原始海况的损伤。除了Hs—Tp分级外，也可以

采用波方向性分级。

——计算所有区块每一个选定短期海况的疲劳损伤；

——所有海况加权疲劳损伤的累积可表示为式(10):

(10)

式中：

长期疲劳损伤；

Ns——波浪散布图中离散海况的数量；

Pi——海况概率。通常是有效波高、峰值周期和波方向的参数，即P(Hs,Tp,〃),；

Di——短期疲劳损伤。

4.4整体疲劳分析程序

疲劳损伤计算的基础是整体载荷效应分析，在一些固定的短期坏境条件下，确定应力循环分布。

DNV-OS-F201中表述了分析方法选择和模拟模型验证的一般原则。

10

GB/T33508—2017

在DNV-OS-F201第3章D1OO-D5OO立管分析中，论述了环境载荷。当确定环境载荷条件时，

DNV-RP-C205规定的原则和方法宜作为基础。

宜仔细地选择充分代表立管系统寿命应力循环的短期疲劳条件。选择应基于对立管系统静态和动

态特性的深刻认识，特别应注意FE建模、流体动力学载荷、谐振动力学和浮式设施运动特。为了证

明识別的不确定参数合理的保守假设（例如在SCR触地位置进行疲劳分析时的土壤特），宜进行敏感

性研究。

通常,疲劳分析包括一些轻微海况到温和海况的整体载荷效应分析。这是因为在大多数工况下总

疲劳损伤主要来自发生概率高的轻微海况到温和海况，而不是少许的极端海况。与极端的响应分析相

比较，涉及的非线性程度通常较小。因此,在许多T况下，可以利用线性时域或频域分析获得合适的结

果。但是，采用简化分析方法时,宜参照非线性时域分析进行验证。

注：经验还表明，在墨西哥湾少数T.况下,SCR顶部疲劳集中发生在较大风暴当中。北海TTR中也观察到了极端

海况疲劳损伤的类似情况。因此，当绘制散布图时，不宜忽略极端海况的疲劳情况。

疲劳损伤一般会受到波频（WF）以及低频（LF）应力循环的影响。浮式设施WF运动和立管直波载

荷支配WF疲劳损伤，而浮式设施LF运动支配LF疲劳损伤。WF和LF疲劳损伤的相对重要性主要

依赖于系统,并且随着立管的位置而显著变化。我们始终建议，进行疲劳损伤WF和LF应力循坏相对

影响的评估，以支持分析方法的理性选择。7.3中表述了WF和LF疲劳损伤的方法。

4.5疲劳应力

立管中疲劳损伤累积所要考虑的应力是循环（即随时间变化的）主应力。

长期疲劳损伤计算（即就地、操作条件）中，宜考虑立管系统设计寿命期的管壁厚度的变化。公称疲

劳应力计算中，可采用代表性的平均管壁厚度/加。对于固定的腐蚀性环境，可采用近似表达式（11）：

Ifat=Inom—0.5X/corr（11）

式中：

S——（规定的）公称管子壁厚；

Icorr腐蚀余量。

通常,磨损可视为孔中的腐蚀损失，但在立管中常常不均匀，并在立管整个寿命期内可能不均匀。

永久操作（例如拖曳、安装等）前，计算疲劳损伤时,管子壁厚宜表示为式（12）：

tfat='nom（12）

管子支配作用的公称循环应力分量。，通常是式（13）给出的轴向应力和弯曲应力的线性组合：

<7（/）=几（/）+Cm（°,/）（13）

式中：

6（/）——轴向应力；

“mW,/）——弯曲应力。

角坐标0给出了沿立管圆周热点的位置。

轴向应力几可表示为式（14）：

兀•（D—/fat）X/fnt

式中：

D——金属立管外径；

Te有效张力。

参考图2,立管壁厚中间处的弯曲应力可表示为式（15）：

%（〃,/）=[M『（/）sin（〃）+M=（/）cos（0）]X（15）

11

GB/T335082017

式中：

My和——分别是局部丿轴和z轴的弯矩;

I——二次惯性矩。

图2弯曲应力的计算

这个组合应力随立管圆周而变化。对于波浪从几个不同方向发生的T况，应在一些规则间隔点计

算疲劳损伤，以识别最关键的位置。建议在疲劳分析时，沿圆周至少采用8个点。

宜将立管系统所有部分适当的疲劳寿命形成文件。需满足4.2给出的疲劳准则。

注：挠性接头的疲劳需要特别注意。设计者宜意识到挠性接头刚度对温度和动力载荷的敏感。确定挠性接头处

的应力和疲劳时，止确理解挠性接头刚度是很重要的。严重风暴通常出现的大旋转的挠性接头刚度，远小于疲

劳分析中出现的小振幅的挠性接头刚度。

疲劳评估也宜考虑挠性接头构件（波纹管、轴承、弹性体等）的关键，对材料长期退化的评估认为

是至关重要的。

4.6裂纹扩展计算疲劳评估

采用损伤容限设计方法。这意味着宜设计和检验立管构件，以便在使用寿命期间或检验间隔内，预

期的最大初始缺陷尺寸不会扩展到临界尺寸。检验间隔时间宜短于裂纹从NDT可检测尺寸扩展到关

键裂纹尺寸的持续时间。裂纹扩展计算通常包含以下主要步骤：

——确定长期公称应力范围的分布；

-选择适当的裂纹扩展规律及适当的裂纹扩展参数。裂纹扩展参数（特性阻抗）宜确定为平均值

加2个标准偏差；

—估算初始裂纹尺寸和几何形状和（或）裂纹产生的可能时间。采用的裂纹尺寸宜大于NDT检

验极限加NDT设备进行尺寸检验的精度误差的总和，基于NDT合格程序检测率95%0通

常,焊缝忽略裂纹产生的时间；

——测定预期裂纹扩展平面的循环应力，非焊接构件宜确定平均应力；

——确定最终或关键裂纹尺寸［通过厚度、不稳定断裂和（或）总塑性变形］;

——结合疲劳裂纹扩展与长期应力范围分布的关系，以确定疲劳裂纹扩展寿命。

本标准主要针对基于&N曲线方法的疲劳评估。对于基于断裂力学方法的疲劳分析指南，详见

BS7910o

12

GB/T335082017

5S-N曲线

5.1总则

疲劳设计可以采用疲劳测试所得的S-N曲线。实际疲劳设计时，焊接接头划分为几个级别，每一

个级別都有相应的S-N|il］线。

本标准直接引用SY/T10049-2004中给出的S-N曲线。然而，大家公认，可以采用国际公认标

准（例如ES、HSE、API等）报道的各种S-N曲线的等效S-N曲线。

5.2双斜率S-N曲线:SY/T10049

SY/T10049给出了立管单根相关分类的疲劳能力数据。SY/T10049广泛地论述了承受循环弯

矩和张力立管典型单根和（或）详细结构采用的单根分类。

如果考虑的材料、详细结构和环境不存在疲劳数据，宜通过试验（使用断裂力学评估）或保守的S-N

曲线绘制S-N曲线。宜特别注意SY/T10049没有涵盖的化学环境。

对于SY/T10049给出的双斜率S-N曲线,S-N曲线截距对数的标准偏差，即叽，为0.20。

5.3单斜率S-N曲线

根据国际公认标准，采用单斜率S-N|11|线认为是可以接受的。但是,宜核对5.6给出的建议。

注：对于单斜率S-N曲线，文献中报道了大范围的S-N曲线截距对数标准偏差。例如，B由线可与=（）.18相

关,E曲线可与心=0.25相关（见例子UKDOE84）。当采用以增强风险为基础的安全系数而不是标准安全

系数时，该值就作为输入使用。详细信息见&3。

5.4例外和删减范围

5.4.1双斜率S-N曲线:SY/T10049

如果实际结构细节的最大局部应力范围小于SY/T10049中给出的双斜率S-N|lh线（空气和阴极

保护海水）的IO?次循环时的疲劳极限应力值，则可以省略详细的疲劳分析。宜通过系数（DFF）-033减

少许用应力范围，考虑设计疲劳系数（DFF）的影响。

注：上述省略详细疲劳分析的条款要求，实际细节的最大局部应力范围小于SY/T10049中给出的双斜率S-N曲

线（空气和阴极保护海水）的10次循环时的疲劳极限应力值。立管寿命期间，所有海况宜满足“实际细节的最

大局部应力范围小于疲劳循环极限10次的要求。

即使单一海况，违背了该要求，则宜进行详细的疲劳分析。

宜注意SY/T10049中给出的双斜率S-N|11|线没有任何的删减范围。

5.4.2单斜率S-N曲线

一些单斜率的S-N曲线可能有删减范围，即应力范围的下限。如果应力范围低于删减范围，则其

对疲劳损伤的影响将被忽略。

5.5应力集中系数

应力集中系数（SCF）适用于解释由于两个相邻单根几何结构差异（例如由于焊缝或机械连接器的

制造公差和安装程序）而可能引起的应力放大。SCF可以通过详细的FE分析或实际结构细节的解析

表达式进行计算。对于因偏心引起的局部弯曲应力增加的热点，宜包括最大许用偏心而引起的应力集

中。可以根据SY/T10049给出的解析表达式，评估该应力集中系数。

典型偏心矩的评估宜根据有关合理保守假设（如实际设计适用）支持的生产公差和安装和（或）焊接

13

GB/T335082017

程序的详细信息。

5.6S-N曲线