T-CSTM《船舶结构疲劳与断裂裂纹缺陷安全性评定》

ICSXX.XXX.XX

XXX

团体标准

T/CSTMXXXXX-201X

船舶结构疲劳与断裂裂纹缺陷安全性评定

Safetyassessmentoffatigueandcrackdefectsinshipstructure.

201X-XX-XX发布201X-XX-XX实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTMXXXXX-2019

船舶结构疲劳与断裂裂纹缺陷安全性评定

1范围

本标准规定了船舶结构的疲劳与断裂裂纹缺陷安全性评定的规范要求，包括评定流程、评定参数、

评定方法、评定衡准、断裂韧性试验等通用技术要求和特定技术要求。

本标准适用于公务船、海洋运输船、军用船等船舶。

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，仅所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。

GB/T34000中国造船质量标准

GB4161-1984金属材料平面应变断裂韧度K1c试验方法

CB/Z264-1998金属材料低周疲劳表面裂纹扩展速率试验方法

PD6493:1991,Guidanceonmethodsforassessingtheacceptabilityofflawsinfusionweldedstructures.

BS7910:2013+A1:2015,Guidetomethodsforassessingtheacceptabilityofflawsinmetallicstructures.

BS7608,Codeofpracticeforfatiguedesignandassessmentofsteelstructures.

BSENISO11666,Non-destructivetestingofwelds-Ultrasonictesting-Acceptancelevels.

BSENISO12737,Metallicmaterials-Determinationofplane-strainfracturetoughness.

ASTME2760-10(2003)e1StandardTestMethodforCreep-FatigueCrackGrowthTesting,

DOI::10.1520/E2760-10E01.

3原理

疲劳与断裂是引起工程结构和构件失效的最主要的原因。在某点或某些点承受扰动应力，且在足够

多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为

疲劳。可见只有承受扰动应力作用疲劳才会发生。疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部，在足够多次

的扰动载荷作用之后形成裂纹或完全断裂。在船舶结构设计上，裂纹缺陷问题主要发生在高应力集中的

焊缝区域，裂纹一般为张开形裂纹，由初始的表面裂纹逐渐发展为贯穿型裂纹，贯穿型裂纹再不断扩展，

最终将导致结构失效。材料自身特性，外部环境与外力作用共同决定了其寿命。

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4评定流程

4.1疲劳裂纹扩展安全性评定流程

图1疲劳裂纹扩展评定流程图

4.2疲劳裂纹断裂安全性评定流程

对于已知评定对象的缺陷，可以应用下面的评定流程：

(1)缺陷类型的确定；

(2)基本性能数据的确定；

(3)缺陷尺寸的确定；

(4)应力的确定；

(5)断裂比的计算；

(6)载荷比的计算；

(7)绘图(失效评定图)，并评价。

5评定参数

疲劳与断裂裂纹缺陷安全性评定所需要的基本参数如下所示:

(1)评定对象的基本尺寸；

(2)缺陷类型、存在位置及其尺寸；

(3)应力及其参考系数；

(4)材料的屈服强度、拉伸强度、泊松比以及弹性模量；

(5)材料的断裂韧度值。

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6评定方法

6.1裂纹发生位置定义

初始裂纹通常发生在填角焊或者对接焊这些高应力集中区域，且这些区域在建造之初亦出现工艺

问题，有缺陷存在。

6.2初始表面缺陷限定

初始表面裂纹通常发生在对角焊或填角焊的结构表面，根据实际测量得到；在无测量数据情况下，

初始表面缺陷限定可按如下规定：

表1初始表面缺陷限定

焊接类型深度方向长度方向

对接焊1.0mm5.0mm

填角焊0.5mm5.0mm

6.3对接接头的尺寸偏差要求

表2对接接头的尺寸偏差

标准范围

项目备注

（mm）

≤0.1t

主要构件

错且≤3超差者重新装配

边ta为错开量

差a≤0.15tt为较小的板厚

次要构件

且

≤3

骨架间距

平

面≤2.0超差者加工艺板拉平

度

a

6.4材料特性定义

疲劳断裂评估需要相应的材料特性，包括材料在评估温度下的屈服强度、拉伸强度、杨氏模量、泊

松比、是否屈服连续以及材料的断裂韧性，根据评估方式的不同，必要时需要提供材料的全应力—应变

曲线。

6.5一次应力与二次应力

一次应力指在应力足够高的情况下可以导致塑性变形的应力（二次应力不会造成塑性变形）。一次

应力可以通过断裂、疲劳、蠕变或SCC导致失效。一次应力包括由内部压力和外部载荷引起的所有应

力，可以分为一次膜应力与一次弯曲应力。

二次应力是满足结构相容性所必须的自平衡应力。二次应力是可以通过局部屈服和热处理等方式来

缓解，热应力与残余应力通常是二次应力。二次应力分成二次膜应力与二次弯曲应力。

二次应力不会造成塑性破坏，但会增加裂纹尖端局部区域的严重性；必要时，也要将二次应力考虑

到应力强度因子计算中。

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一次应力和二次应力需根据实际产品设计特点充分考虑应力集中和错位的影响。

6.6疲劳载荷谱

（1）疲劳裂纹扩展的载荷由动应力驱动，且对于某一给定尺寸的裂纹断裂及结果，在载荷方面由

极限状态的载荷幅值（应力范围）决定。

（2）疲劳裂纹扩展分析采用的动载荷谱基于船舶在设计寿命期间北大西洋海浪谱的长期分布，载

荷超越概率水平为10^-8。

（3）用于疲劳裂纹扩展分析的应力长期分布可用修正的Weibull形状参数分布描述，25年（载

荷循环次数为10^8）应力范围分布可采用简化的线性载荷谱，如图2所示。

图225年应力范围长期分布（循环次数为10^8）

6.7裂纹扩展速率

单次载荷循环下的裂纹扩展da，应按下式计算：

△m当△KK＞△时

da/dNC(K)th

当△KK＜△时

da/0dNth

式中：

da/dN——裂纹扩展速率，其中，N为应力循环次数；

C,m——Paris常数，如无确切值时，按表2选取；

△K——应力强度因子范围，应力强度因子范围，如无确切值时，按下式计算：

△△KY·a

△σ——应力范围，MPa，由有限元方法计算确定；

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Y——系数，由裂纹几何尺寸决定。对于无限边界板的中心裂纹，受单向正应力作用，且正应力方向与

裂纹方向垂直时，Y=1。对于各种节点形式，可从相关的应力强度因子手册中查得，也可用有限元方法

计算得出；

π——圆周率，可取为3.1416；

a——裂纹尺寸，mm；

△Kth——应力强度因子门槛值，如无确切值时，按表2选取；

表2常见材料的断裂力学常数

材料mC△KthMPa*m^0.5

不锈钢3.01.19×102.0

铝合金3.02.03×100.7

9％镍合金3.05.14×102.0

7评定衡准

（1）由断裂力学分析得出的最终的裂纹长度应小于材料的临界裂纹长度：

aa＜c

f

式中：

af——由断裂力学分析得到的最终裂纹在初始表面的半长度，mm；

ac——材料的临界裂纹长