A Study on the Engineering Critical Assessment for Non-Compliant Weld Joints of Offshore Structure

Abstract

해상 플랫폼의 공간적인 제약과 제작 특성으로 인해 대형 강 구조의 연결부에서 용접 라인이 중복되거나 가깝게 배치되는 경우가 많다. 이를 방지하기 위해 미국석유협회 (API), 미국용접협회 (AWS) 및 미국 철강건설협회 (AISC)와 같은 여러 국제 표준에서 주요 용접 선들 간의 최소 거리를 규정하고 있지만, 제시된 제한 사항에 대한 논리적이고 상세한 배경에 대한 설명이 없이 엔지니어의 판단에 의존하도록 되어 있다. 공학적 한계 분석법 (ECA)은 이러한 규정에서 벗어난 용접 접합부들을 검증하는 일반적인 방법이며, 응력집중계수 (SIF)가 ECA의 핵심 매개 변수이다.

본 연구는 두 부분으로 이루어져 있다. 첫째, 용접 잔류 응력 분포를 3D 비선형 유한 요소 해석을 통해 계산하여 그 영향을 분석했다. 복잡한 용접조건을 한 개의 모델로 구현하기 위해 버트 용접과 90도 교차된 필렛 용접을 시뮬레이션 했으며, 용접 라인에 따른 응력 변화를 분석했다. 둘째, 4가지 유형의 반-타원 표면 균열에 대해 응력집중계수 및 J적분을 표면부 및 심부에서 계산했다. 열 영향부의 크랙을 용접비드와 모재사이 끝단에 모델링 하였고 첫번째 단계에서 해석된 잔류 응력을 크랙해석의 초기 응력으로 매핑했다. 이 매핑 된 잔류 응력은 균열 형상을 반영하는 첫번째 해석 단계에서 재분포되며 이 경향 또한 상세히 분석하였다. 2차 하중으로 분류되는 잔류응력 외에 1차 하중을 반영하였고, 추가적인 축 방향 인장 하중이 추가된 크랙해석모델을 구현했다. 최종적으로 응력집중계수의 값을 버트 용접 모델에 대해 가중함수법으로 검증을 한 후, 추가된 용접 라인의 영향을 검토하였다.

해석결과, 버트 용접 부위에 필렛 용접 라인을 추가함에 따라 버트용접 부근의 균열 부위 주변에 축 방향 압축 응력이 발생하여 버트용접의 축 방향 잔류 응력이 상쇄되는 효과를 확인하였고, 그로 인해 응력집중계수 또한 감소하는 것을 확인하였다.

Due to the spatial complexity and fabrication characteristics of offshore platforms, it is inevitable to encounter overlaps or proximity of weld lines in large steel frames. Several international standards such as American Petroleum Institute (API), American Welding Society (AWS), and American Institute of Steel Construction (AISC) regulate the minimum distance between primary weld beads, however, there is no logical and detailed background of this limitation presented. Engineering Critical Assessment (ECA) is a typical method to verify those non-compliant weld joints and the Stress Intensity Factor (SIF) is the key parameter of ECA.

This research consists of two parts. First, Weld Residual Stresses (WRS) distributions were calculated by 3D thermo-mechanical nonlinear Finite Element Analysis (FEA). A cross overlap weld, fillet weld on butt weld crossed in 90 degrees, was simulated in one model and also a separate fillet weld model and a butt weld model were analyzed in order to investigate the influence of additional weld line. Second, SIF and J integrals are analyzed at the surface and deepest crack tip locations for four types of semi-elliptical surface cracks. Four sizes of crack were embedded into the weld model and the residual stresses were mapped to 3D FEA crack models as initial stresses. The mapped residual stresses are distributed at the first step of analysis reflecting the crack geometry. In addition to the self-equivalent WRS, an additional axial tension load was imposed to reflect the primary load.

SIF values were verified by Weight Function Method (WFM) for the butt weld model first then extended to the butt plus fillet model to review the trend and impact of the added weld line.

It is found that the added fillet weld line on butt weld produces compression stresses around the crack location near butt weld. Therefore, resultant transverse residual stress was reduced and SIF was also reduced.