海洋工程结构疲劳与腐蚀损伤耦合机理及寿命评估方法研究

Compared with the land engineering, one particularity of marine structures is that the structure surface suffers more serious corrosion. At present, simplified methods are usually used to deal with the effect of corrosion on the fatigue, which is one of reasons why the fatigue life of the marine structures cannot be estimated accurately. In these methods, the data in the nature corrosion database from coupon tests in seawater is used to build the corrosion model, neglecting acceleration of the corrosion under cyclic loading of the structures. First, the quantitative relationship between structural stress and corrosion rate is established for steels of marine engineering structures, based on coupling mechanism of mechanical factor and corrosion factor in corrosion fatigue. Then, the corrosion law of structures under different stresses is given by correcting the corrosion data from the coupon tests in seawater. Combined with the spectra analysis which is widely used in engineering to estimate the fatigue damage of hot spots in structures, a more accurate approach for fatigue life estimation of marine structures considering mechano-chemical effect can be proposed. The approach has a better theoretical basis and higher accuracy of life estimation than the traditional approach, because it is based on mechanism of corrosion fatigue damage and can describe the coupling effects of mechanical factor and corrosion factor. Besides, the approach can also be used in engineering for it is easily combined with the spectral analysis.

与陆地工程结构相比，海洋工程结构的特殊性之一就是结构表面会遭受更为严重的腐蚀。目前工程上通常采用简化的方法处理腐蚀对疲劳的影响，选择无应力状态下的实海挂片腐蚀试验数据建立腐蚀模型，不考虑结构交变应力对腐蚀的加速作用，是导致海洋工程结构疲劳问题仍未得到很好解决的主要原因之一。首先，本项目从研究腐蚀疲劳中力学因素与腐蚀因素的耦合机理出发，针对海洋工程结构用钢建立结构应力和腐蚀速率之间的定量关系；然后，对实海挂片试验腐蚀数据进行修正，建立结构在遭受不同应力时的腐蚀规律，并进一步结合目前工程上普遍应用的谱分析法计算结构关键节点的疲劳损伤，可望提出一种更加精确地考虑力学-化学效应的工程结构腐蚀疲劳寿命评估方法。该方法一方面基于腐蚀疲劳损伤机理，定量描述腐蚀因素与力学因素的耦合作用，比现有的方法具有更好的理论基础和寿命评估精度；另一方面，该方法便于和工程上常用的谱分析法相结合，有望应用于工程实际。

腐蚀与疲劳是船舶与海洋工程结构在服役期间最主要的累积损伤。对于焊接接头，腐蚀和疲劳累积损伤将更加严重，其原因是在焊趾附近存在应力集中以及力学化学效应。多项研究表明外加应力会加速结构的腐蚀，同时反过来腐蚀又会导致结构减薄和应力进一步增加。然而，在目前的船舶与海洋工程结构疲劳寿命评估方法中，由于腐蚀疲劳问题的复杂性，通常忽略结构腐蚀和疲劳的耦合影响，成为目前工程上难以准确评估船舶与海洋工程结构疲劳寿命的主要原因之一。.本项目提出了一种更加精确地能够考虑腐蚀与疲劳耦合效应的船舶与海洋工程结构腐蚀疲劳寿命的评估方法。首先，基于力学化学效应理论，从能量的角度研究载荷对腐蚀反应的影响。其次，根据极化曲线在载荷影响下的不同变化规律，研究了载荷对均匀腐蚀的影响。通过力学化学实验研究了载荷影响下船用Q235钢在海水中的腐蚀变化规律，实验结果表明载荷对钢在海水中的腐蚀有促进作用，其腐蚀电化学特性的变化也与理论推导的变化趋势一致。第三，根据实海挂片试验腐蚀数据，建立了结构在遭受不同应力时的腐蚀模型，该模型可以应用于实际不同海域的结构疲劳寿命评估。最后，为了验证应力和腐蚀耦合效应对焊接接头疲劳损伤的影响，选取了一个船体甲板结构中的横向带有锥度的对接焊缝作为计算案例，分析了焊接接头附近的时变应力集中系数，并基于实验结果采用应力计算和板厚腐蚀退化的不断迭代过程来模拟腐蚀与应力的耦合效应。有限元数值结果表明，耦合效应对疲劳损伤具有重要的影响。.采用一种能够考虑力学化学效应的方法评估海水环境中船舶与海洋工程结构的疲劳寿命更加合理。本项目提出的评估方法对提高船舶与海洋工程结构的设计水平和安全性具有重要的指导意义。