基于熱點應力法的在役海洋箱體式起重機剩余壽命測試計算

李 勇，顏廷俊，吳铦敏，王東升，時均蓮，馬曉明

（1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設工程分公司，天津 300452；3.勝利石油管理局鉆井培訓中心，山東東營 257064）①

基于熱點應力法的在役海洋箱體式起重機剩余壽命測試計算

李 勇1，顏廷俊1，吳铦敏1，王東升2，時均蓮2，馬曉明3

（1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設工程分公司，天津 300452；3.勝利石油管理局鉆井培訓中心，山東東營 257064）①

疲勞破壞是海洋平臺箱體式起重機的主要失效形式之一。以API標準為依據(jù)，利用有限元分析軟件ANSYS對某海洋平臺箱體式起重機實際結構進行模擬，對其進行受力計算，獲得液壓缸上耳板與箱體連接處為危險部位?，F(xiàn)場實際測量得到最大熱點應力為315.6 MPa，應用現(xiàn)場提供的歷史數(shù)據(jù)及Miners線性累加理論計算得到該起重機的剩余壽命為8.7 a。

箱體式起重機；熱點應力；試驗；剩余壽命

起重機是海洋石油平臺重要的組成部分，其主要作用是從供給船上起吊貨物和作業(yè)人員或在平臺區(qū)域內(nèi)搬運設備與原料，是平臺必不可少的重要設備。長期在海上運行、特別是服役十幾年以上的起重機，由于工作環(huán)境及長期工作的影響，其結構會發(fā)生變形或局部缺陷，導致整體強度下降。起重機承受重物起升與下放的沖擊載荷、變幅和回轉(zhuǎn)過程中的交變載荷，以及其他隨機交變載荷（例如風載）［1］將對起重機產(chǎn)生疲勞破壞。疲勞破壞前不會產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，其破壞十分突然，往往造成災難性事故［2］。因此，開展對在役海洋平臺起重機的疲勞壽命研究有重要的意義。本文以中海油某平臺箱體式起重機為研究對象，依據(jù)API-2C推薦方法，采用模擬計算受力分布、現(xiàn)場試驗測試及使用熱點應力法進行剩余壽命計算。

1 熱點應力法

箱體式起重機是板與板的焊接結構，依據(jù)計算及大量工程驗證，疲勞破壞往往出現(xiàn)在兩板焊接處的焊縫處。研究焊接結構的疲勞強度，需要考慮如何獲得焊趾部位的應力值大小及其分布，目前的方法主要有：名義應力法、熱點應力法和切口應力法。其中，熱點應力法較其他3種方法應用較廣：一方面它得益于計算機硬件和有限元分析軟件的大力發(fā)展，使得針對復雜焊接結構的精細應力分析成為可能；另一方面它不需要考慮由焊趾本身引起的非線性應力峰值的影響，而且理論上可以只用1條S-N曲線評估不同類型焊接接頭的疲勞強度。因此，在API-2C中推薦使用熱點應力法進行疲勞測試計算。

熱點應力是指最大結構應力或結構中危險截面上危險點的應力。由于熱點應力出現(xiàn)在焊趾端部，較難測試。因此，API-2C標準規(guī)定采用2點線性外推法獲得其熱點應力值，在距離焊趾0.5t和1.5t（t為箱體的板厚）處進行2點線性外推，由外推點應力值進行線性計算，得到焊趾處的熱點應力［3-4］。

各國船級社結合實際工程項目對熱點應力的S-N曲線的確定做了大量的試驗，經(jīng)過綜合分析與研究表明，可以將FAT90作為統(tǒng)一的熱點應力SN曲線［5］，該曲線可用下式表示為

式中：N為起重機工作次數(shù)；Δσ為應力幅；a為雙對數(shù)坐標下S-N曲線在log N軸上的截距；a為雙對數(shù)坐標下S-N曲線斜率的負倒數(shù)。

當N≤107時，a＝12.164，a＝3.0；當N＞107時，a＝15.606，a＝5.0。

根據(jù)API-2C標準要求，統(tǒng)計出起重機不同載荷等級下的歷史記錄，通過模擬或試驗得到相對應的熱點應力值，由式（1）計算其相對的理論循環(huán)次數(shù)N1、N2、N3等，之后由Miners線性累加理論計算其累計損傷度［6-7］，并評估其剩余壽命。

2 有限元模型受力分析

應用有限元軟件ANSYS對渤海某平臺起重機進行受力分析，找出結構強度薄弱位置作為危險區(qū)域，觀察其受力狀況，對現(xiàn)場試驗進行理論性指導。

該建模起重機于1996年投產(chǎn)，吊臂長度為22 m，起升角0～80°，當回轉(zhuǎn)半徑為3 m時，額定起升載荷為100 k N；當回轉(zhuǎn)半徑為20 m時，額定起升載荷為35 k N。

應用ANSYS軟件對其進行實體建模，采用2種不同的單元，吊臂內(nèi)加強筋采用Beam188單元，起重機其余部位采用Solid185單元井下建模，具體模型如圖1所示。

圖1 平臺起重機模型

考慮起重機實際工作情況，為了得到起重機不同起升角下危險區(qū)域熱點應力的最大值，將起重機的計算工況分為5個工況，如表1所示。依據(jù)API Spec 2C—2012對計算工況進行載荷計算。

表1 仿真工況

經(jīng)過計算得到起重機熱點應力分布（如圖2），受力較大的部位如圖2圓圈標注處。熱點應力最大部位發(fā)生在吊臂底部與液壓支撐上耳板的連接處，如圖3。不同工作載荷下對應不同的熱點應力，依據(jù)外推法計算得到的危險部位的熱點應力數(shù)據(jù)如表2。

圖2 熱點應力較大部位

圖3 最大應力部位仰視放大圖

表2 危險區(qū)域熱點應力計算值

由表2可知：在吊臂不同角度施加不同載荷時，液壓缸上耳板與箱體連接處在載荷為50 kN時存在最大熱點應力，其值為287.6 MPa。該部位為危險區(qū)域，現(xiàn)場試驗時應著重在該部位設置測點。

3 現(xiàn)場試驗

通過上述計算分析得到較大熱點應力的分布區(qū)域（如圖2），使用應變計進行該部位的焊趾熱點應力測試。危險部位為起重機液壓缸上端耳板與箱體連接處，危險部位的測點分布如圖4。

依據(jù)上述計算最大應力的分布位置，需測試部位的長度為212 mm，沿其長度方向均勻布置5片應變片，在其垂直方向布置2片應變片，如圖4。采用無線應變測試裝置得到各測點焊趾處熱點應力值，由上述S-N曲線計算出不同載荷等級下的理論循環(huán)次數(shù)，并統(tǒng)計出該載荷下的實際運行次數(shù)，通過Miners累加理論計算出應力最大位置處損傷度之和。由于特殊原因，該起重機在前8 a使用頻次較少，后8 a屬于正常使用。為方便進行剩余壽命的計算，即后續(xù)剩余壽命期間計算的使用頻次按照后8 a計算。因此，表中列出了16 a的總損傷及后8 a內(nèi)的損傷值，具體數(shù)據(jù)如表3所示。實際循環(huán)次數(shù)為日常管理統(tǒng)計所得，損傷度為實際循環(huán)次數(shù)與理論循環(huán)次數(shù)的比值。計算出每個噸位損傷度之后，將其求和得到使用年限內(nèi)的累計損傷度。

圖4 危險部位測點分布

表3 疲勞累計損傷計算值

4 剩余壽命計算

起重機的剩余壽命為起重機總壽命減去已用壽命。剩余壽命計算公式為

可知該起重機在服役的16 a內(nèi)累積損傷度已達0.332 0，其中后8 a的累計損傷度為0.306 7。按前述原因，該起重機剩余壽命的使用頻次以后8 a為參考，則剩余壽命為

根據(jù)API RP 2A要求取疲勞安全系數(shù)為2［8］，則起重機剩余壽命預估為：17.4／2＝8.7 a。

5 結論

1） 海上平臺箱體式起重機的疲勞危險區(qū)域為液壓缸上耳板與箱體連接處，該部位熱點應力值最大，易發(fā)生裂紋，現(xiàn)場應力測試應在該部位設置合理測點，并在日常維護時著重對該部位進行檢查。

2） 通過熱點應力方法得到渤海某箱體式起重機剩余壽命為8.7 a。

［1］ 趙威威，白朝陽，曹旭陽，等.在役塔式起重機疲勞壽命分析［J］.建筑機械，2013（1）：72-74.

［2］ 陳剛.岸邊集裝箱起重機疲勞分析［C］／／太原：第八屆物流工程學術年會，2008-10-24.

［3］ 周張義，黃運華.基于熱點應力的焊縫疲勞強度評定研究［J］.內(nèi)燃機車，2008（7）：1-5.

［4］ 馮加果，李新仲，謝彬，等.基于ANSYS的海洋平臺局部構造疲勞壽命評估的網(wǎng)格精度和外推方法研究［J］.石油礦場機械，2011，40（1）：15-20.

［5］ DNV-RP-C203，F(xiàn)atigue design of offshore steel structure［S］.2006.

［6］ 陳傳堯.疲勞與斷裂［M］.武漢：華中科技大學出版社，2001.

［7］ 張淑華，徐磊，錢進.海洋導管架平臺疲勞問題分析［J］.石油礦場機械，2012，41（11）：16-19.

［8］ API RP 2A-WSP，Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design［S］.2002.

Analysis on Fatigue Life Assessment of Offshore Platform Box Crane in Service Based on Hot Stress Method

Fatigue damage is one of the main failure modes in the cranes with box arm of offshore platform，according to API standards，the finite element analysis software ANSYSis used to simulate the actual structure of offshore platform cranes box and perform the force calculation，finding that the most dangerous zone is the junction between the ear plate on the cylinder and the box junction.The most hot spot stress is 315.6 MPa resulting from the field actual measurement，according to the filed usage record and using Miners linear accumulative theory the remaining life of the crane is 8.7 years.

cranes box；hot spot stress；experiment；fatigue residual life

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.006

1001-3482（2014）09-0021-04

2014-02-24

李 勇（1989-），男，陜西禮泉人，碩士研究生，主要從事海上平臺吊機的檢測與仿真及井架檢測研究，E-mail：kimylyshen＠126.com。