海上平臺(tái)起重機(jī)結(jié)構(gòu)評估方法

葉兵

【摘 要】 上平臺(tái)起重機(jī)近些年來問題和事故較多，其結(jié)構(gòu)的可靠性非常重要，本文通過研究給出一些海上平臺(tái)起重機(jī)的評估方法以確定其強(qiáng)度、疲勞的可靠性，并評估其使用壽命。

【關(guān)鍵詞】 起重機(jī) 結(jié)構(gòu)評估 起重機(jī)可靠性

【Abstract】 Offshore platform crane more problems and accidents in recent years.The reliability of the structure is very important.Through research，the paper proposes some offshore crane evaluation methods to determine its strength，the reliability of fatigue，and evaluate its service life.

【Key words】 Crane Structure assessment Crane reliability

1 概述

由于海上惡劣工作環(huán)境的影響，隨著使用年限的增加，海上石油平臺(tái)起重機(jī)桿件會(huì)出現(xiàn)各種缺陷，如銹蝕等。造成局部應(yīng)力增大，其使用和安全性能下降，影響安全使用壽命。本文結(jié)合有關(guān)起重機(jī)API標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，通過研究和理論計(jì)算、現(xiàn)場實(shí)際測試、使用記錄搜集等，對起重機(jī)進(jìn)行壽命分析和評估。理論分析主要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行載荷的計(jì)算、根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化建模，進(jìn)行起重機(jī)吊臂在七種角度的強(qiáng)度計(jì)算分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，為現(xiàn)場實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試提供參考；現(xiàn)場實(shí)際測試是利用理論分析結(jié)果得到的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)地應(yīng)力測試，得出在不同載荷下起重機(jī)各部分的實(shí)際受力。為壽命評估提供真實(shí)可靠地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。壽命評估依據(jù)API相關(guān)要求，使用熱點(diǎn)應(yīng)力，利用Miners線性累加理論對起重機(jī)進(jìn)行壽命預(yù)測，評定該起重機(jī)的剩余壽命，并給出檢測方案及延壽方案。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是利用ANSYS分析軟件對起重機(jī)建模及分析。起重機(jī)所受載荷的計(jì)算是根據(jù)美國石油協(xié)會(huì)（API）制定的標(biāo)準(zhǔn)API Spec 2C《海上平臺(tái)起重機(jī)規(guī)范》進(jìn)行確定；對起重機(jī)不同角度施加最危險(xiǎn)的載荷組合，求解起重機(jī)各個(gè)部位的應(yīng)力，提取起重機(jī)的整體應(yīng)力云圖以及局部應(yīng)力云圖；結(jié)合起重機(jī)的材料，按照中國船級社標(biāo)準(zhǔn)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》，對起重機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核；結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析是在結(jié)構(gòu)靜力分析以及現(xiàn)場實(shí)際測試的基礎(chǔ)上，提取應(yīng)力結(jié)果，選取應(yīng)力熱點(diǎn)及對應(yīng)的S-N曲線，并根據(jù)起重機(jī)歷次吊重記錄對起重機(jī)進(jìn)行疲勞分析評估。

2.1 起重機(jī)的結(jié)構(gòu)

起重機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為吊臂、A字架以及基座三部分。起重機(jī)在服役過程中可能存在由于維修和更換零件，其尺寸會(huì)發(fā)生變動(dòng)。因此，為了得到更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需進(jìn)行現(xiàn)場測繪。

2.2 起重機(jī)有限元模型建立

建立有限元模型的基本步驟：（1）定義工作標(biāo)題和工作文件名；（2）定義單元屬性；（3）建立幾何模型；（4）網(wǎng)格劃分；（5）定義接觸對。

由于起重機(jī)在不同角度的額定起升載荷不同，安全起升載荷隨著起重機(jī)角度的增大而增大。利用ANSYS分析軟件對起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，不可能對起重機(jī)的每個(gè)角度進(jìn)行分析，只能選取部分角度進(jìn)行分析。如果選取的每個(gè)角度都滿足強(qiáng)度要求，則認(rèn)為起重機(jī)滿足強(qiáng)度要求。起重機(jī)的變幅范圍是15°～82°，依據(jù)現(xiàn)場工況及經(jīng)驗(yàn)，選取角度15°、30°、45°、55°、65°、75°和82°共7中不同角度分別對起重機(jī)進(jìn)行分析。所以需要建立不同角度的7個(gè)有限元模型。7個(gè)模型只是吊臂的角度不一樣，為了更方便修改參數(shù)，采用ANSYS提供的參數(shù)化語言APDL進(jìn)行模型的建立。

2.3 載荷計(jì)算

起重機(jī)在使用過程中，要承受自身重量、起吊載荷、環(huán)境、平臺(tái)/船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的各種載荷，以及要承受諸如起升、吊臂變幅、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力；在船外起升時(shí)，承受起吊載荷時(shí)供給船運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力。各種載荷按照API Spec 2C-2004《海上平臺(tái)起重機(jī)規(guī)范》（Specification for Offshore Pedestal Mounted Cranes）（以下簡稱API-2C）進(jìn)行計(jì)算。

2.3.1 垂直設(shè)計(jì)載荷

（2）起重機(jī)傾斜（CI力）和起重機(jī)運(yùn)動(dòng)（CM力）產(chǎn)生的載荷。不管是船上起升，還是船外起升，都會(huì)因?yàn)槠鹬貦C(jī)底座靜態(tài)傾斜（橫傾或縱傾）以及起重機(jī)底座運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生各種載荷，視相對于傾斜的起重機(jī)的方向而定，平臺(tái)/船舶靜態(tài)傾斜（橫傾或側(cè)傾）會(huì)造成前傾或側(cè)傾情況，靜態(tài)前傾會(huì)造成與水平起升狀況相比吊鉤位置發(fā)生靜態(tài)改變的情況，通過調(diào)節(jié)起重機(jī)吊臂角度，可以使吊鉤回到正確的半徑和額定值。靜態(tài)側(cè)傾會(huì)造成側(cè)載作用在吊臂的頂部，由于靜態(tài)側(cè)傾造成的吊臂頂部的側(cè)載為：

（靜態(tài)側(cè)傾角度）

API相關(guān)規(guī)范中要求考慮的角度為0.5°，在實(shí)際評估中為全面考慮海上起重機(jī)會(huì)出現(xiàn)的最嚴(yán)重的工況以及吊機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算中均按2°進(jìn)行校核，因此，本次評估計(jì)算中起重機(jī)傾角取為2°傾角。

（3）風(fēng)載。從設(shè)計(jì)參數(shù)表中可知工作工況的穩(wěn)定風(fēng)速為19m/s=42.5mph，不工作工況的穩(wěn)定風(fēng)速為26m/s=58.2mph，陣風(fēng)風(fēng)速為37m/s=82.8mph，起重機(jī)必須設(shè)計(jì)成能夠承受最極端的停放工況，所以停放時(shí)以陣風(fēng)風(fēng)速對起重機(jī)施加載荷。

根據(jù)API Spec 2C-2004中5.2的相關(guān)規(guī)定，安裝在平臺(tái)上的基座、主柱及其配件，就各種載荷以及就應(yīng)用于垂直設(shè)計(jì)載荷和應(yīng)用于垂直設(shè)計(jì)載荷產(chǎn)生的水平設(shè)計(jì)載荷（垂直設(shè)計(jì)載荷產(chǎn)生的前傾力和側(cè)傾力）的1.5倍附加系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)應(yīng)該將計(jì)算應(yīng)力乘以附加系數(shù)1.5，再與許用應(yīng)力進(jìn)行對比。

2.5 結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

確保起重機(jī)在役壽命期間安全正常地運(yùn)行是平臺(tái)工作人員所關(guān)心的問題。起重機(jī)必須具備起吊規(guī)定載荷的能力，也就是必須滿足強(qiáng)度的要求；同時(shí)起重機(jī)機(jī)工作時(shí)頻繁地起吊，加上海上惡劣的工作環(huán)境（海風(fēng)、潮濕等），長時(shí)間工作起重機(jī)有可能發(fā)生疲勞破壞。尤其是在應(yīng)力較大的焊接部位，往往是疲勞裂紋的起源部位。在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞分析，確定起重機(jī)的潛在危險(xiǎn)部位以及剩余壽命，對平臺(tái)起重機(jī)的維修和維護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。

疲勞破壞的過程是：零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部的最高應(yīng)力處、最弱的及應(yīng)力最大的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞裂紋。所以，疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、擴(kuò)展和瞬間斷裂三個(gè)階段。

對于起重機(jī)的疲勞采用軟件分析與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，以現(xiàn)場測試為主，軟件分析為輔的方法對起重機(jī)的疲勞進(jìn)行分析。

根據(jù)API-2C推薦，對起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時(shí)應(yīng)該考慮熱點(diǎn)應(yīng)力，用熱點(diǎn)應(yīng)力法確定在役起重機(jī)的疲勞壽命。

隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，熱點(diǎn)應(yīng)力法已在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上得到成功的應(yīng)用。熱點(diǎn)應(yīng)力考慮了由結(jié)構(gòu)宏觀幾何外形引起的應(yīng)力集中，但不包含焊縫本身引起的局部應(yīng)力峰值，比名義應(yīng)力法和切口應(yīng)力法更適合實(shí)際工程結(jié)構(gòu)。

研究焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，需要考慮如何獲得焊接部位的應(yīng)力值大小及其分布。根據(jù)所采用的應(yīng)力分類，目前主要有三種方法：名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法和切口應(yīng)力法。名義應(yīng)力法是各種疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范中廣泛使用的方法，該方法將焊接接頭根據(jù)其不同的幾何形式和加載方式分成很多種類型，通過疲勞試驗(yàn)確定每一種類型相對應(yīng)的S-N曲線。但是對于復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，很多時(shí)候難以明確焊接接頭的分類、名義應(yīng)力的大小和分布位置等。嚴(yán)格來說名義應(yīng)力不是一個(gè)具有普遍意義的疲勞控制參量，很難描述局部區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。切口應(yīng)力包括了焊接部位局部幾何形狀及大小等細(xì)節(jié)因素的影響，能夠準(zhǔn)確反映焊接結(jié)構(gòu)疲勞損傷的實(shí)際情況。然而局部的切口應(yīng)力計(jì)算對焊接部位的幾何參數(shù)非常敏感，當(dāng)應(yīng)用于實(shí)際的工程焊接結(jié)構(gòu)時(shí)有相當(dāng)?shù)碾y度。焊接部位的幾何參數(shù)具有隨機(jī)性，即使在焊接過程中有很好的控制，這些參數(shù)如焊接角度、半徑及焊縫形狀等都會(huì)隨著焊接接頭形式的變化而不同。

熱點(diǎn)應(yīng)力法目前已成為工程上最受歡迎的方法。一方面它得益于計(jì)算機(jī)硬件和有限元分析軟件的大力發(fā)展，使得針對復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的精細(xì)應(yīng)力分析成為可能；另一方面熱點(diǎn)應(yīng)力法不需要考慮由焊接本身引起的非線性應(yīng)力峰值的影響，而且理論上可以只用一根S-N曲線評估不同類型焊接頭的疲勞強(qiáng)度，從而避開了切口應(yīng)力法和名義應(yīng)力法的缺陷。

由于起重機(jī)起吊載荷的不同，起重機(jī)的疲勞屬于非等幅疲勞，對于受變幅或隨機(jī)載荷的設(shè)備或構(gòu)件，傳統(tǒng)上一般采用累積損傷原理原理進(jìn)行計(jì)算。對于起重機(jī)的疲勞計(jì)算采用Miners線性累加理論，認(rèn)為起重機(jī)循環(huán)起吊某一載荷會(huì)對起重機(jī)造成一定的損傷，起重機(jī)總的損傷度是不同循環(huán)載荷對起重機(jī)損傷的疊加。

3 現(xiàn)場應(yīng)力測試

實(shí)驗(yàn)工況和測試點(diǎn)選取：按照API相關(guān)規(guī)范以及起重機(jī)安全負(fù)載曲線，不同角度下安全起吊載荷不同。為方便后續(xù)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，本著校核起重機(jī)危險(xiǎn)工作狀況以及引起疲勞的日常工作起吊各不同載荷的原則，在該起重機(jī)規(guī)定的安全負(fù)載曲線范圍內(nèi)選取了前面理論計(jì)算所選擇的七種角度和載荷。并選取如下測點(diǎn)：A字架底部測點(diǎn)，A字架頂部測點(diǎn)，吊臂底部耳板測點(diǎn)，吊臂底部弦桿測點(diǎn)，弦桿、支撐桿相交點(diǎn)測點(diǎn)，中、上臂節(jié)連接處測點(diǎn)，吊臂頂部測點(diǎn)，負(fù)載鋼絲繩死繩端測點(diǎn)。

4 疲勞壽命評估

該起重機(jī)疲勞壽命評估計(jì)算理論和原則采用熱點(diǎn)應(yīng)力法以及Miners線性累加理論。所需數(shù)據(jù)及計(jì)算過程如下。

為進(jìn)行該起重機(jī)的壽命計(jì)算，需統(tǒng)計(jì)該機(jī)器自投產(chǎn)以來的吊重重量和次數(shù)記錄。

依據(jù)各部分熱點(diǎn)應(yīng)力值，并依據(jù)疲勞計(jì)算中的線性累加理論計(jì)算，可得到不同部分的累計(jì)損傷度。

測點(diǎn)的疲勞損傷度最大，其值為a，這表示起重機(jī)在服役的b年時(shí)間里，其累積損傷度達(dá)到a。因此起重機(jī)的疲勞壽命為年。根據(jù)API RP 2A對于疲勞計(jì)算應(yīng)該留出2倍的疲勞安全系數(shù)，起重機(jī)的剩余壽命為年。

5 結(jié)論及對策

應(yīng)用上述方法，對一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，找出危險(xiǎn)區(qū)、次危險(xiǎn)區(qū)和普通區(qū)，分別采取對應(yīng)措施。

對于危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)該對全部焊縫進(jìn)行重點(diǎn)檢測和探傷，每年進(jìn)行一次全面檢測。

對于次危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)該對各部分的焊縫進(jìn)行部分抽檢。檢測之前先對所有區(qū)域進(jìn)行目檢，待檢區(qū)域不得出現(xiàn)漆面脫落、局部腐蝕、大的變形以及疲勞裂紋。對出現(xiàn)缺陷的部位必須進(jìn)行全面檢查，其余部位可選擇每年對焊縫的33%進(jìn)行抽檢，所有焊縫的檢測分三年完成。

對于普通區(qū)域，其檢測及探傷的范圍和間隔可適當(dāng)延長?？蛇x擇每年對焊縫的10%進(jìn)行抽檢。

海上平臺(tái)起重機(jī)有些部位可能存在腐蝕，因此為防止疲勞腐蝕造成鋼結(jié)構(gòu)的斷裂，在徹底除銹后應(yīng)進(jìn)行焊縫探傷與裂紋探傷。還應(yīng)注意以下現(xiàn)象：（1）嚴(yán)禁超載現(xiàn)象的發(fā)生；（2）對起重機(jī)應(yīng)力較大位置重點(diǎn)檢查與保護(hù)；（3）細(xì)化與準(zhǔn)確化日常起重機(jī)載荷記錄；（4）定期檢查起重機(jī)各部位傳感器是否準(zhǔn)確；（5）加強(qiáng)日常保養(yǎng)，定期除銹修補(bǔ)裂紋；（6）提高維修質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]美國石油協(xié)會(huì)（API），標(biāo)準(zhǔn)API Spec 2C-2004《海上平臺(tái)起重機(jī)規(guī)范》.

[2]美國石油協(xié)會(huì)（API），標(biāo)準(zhǔn)API RP 2A-2008《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法--荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法》.

[3]中國船級社，《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》.

確保起重機(jī)在役壽命期間安全正常地運(yùn)行是平臺(tái)工作人員所關(guān)心的問題。起重機(jī)必須具備起吊規(guī)定載荷的能力，也就是必須滿足強(qiáng)度的要求；同時(shí)起重機(jī)機(jī)工作時(shí)頻繁地起吊，加上海上惡劣的工作環(huán)境（海風(fēng)、潮濕等），長時(shí)間工作起重機(jī)有可能發(fā)生疲勞破壞。尤其是在應(yīng)力較大的焊接部位，往往是疲勞裂紋的起源部位。在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞分析，確定起重機(jī)的潛在危險(xiǎn)部位以及剩余壽命，對平臺(tái)起重機(jī)的維修和維護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。

疲勞破壞的過程是：零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部的最高應(yīng)力處、最弱的及應(yīng)力最大的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞裂紋。所以，疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、擴(kuò)展和瞬間斷裂三個(gè)階段。

對于起重機(jī)的疲勞采用軟件分析與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，以現(xiàn)場測試為主，軟件分析為輔的方法對起重機(jī)的疲勞進(jìn)行分析。

根據(jù)API-2C推薦，對起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時(shí)應(yīng)該考慮熱點(diǎn)應(yīng)力，用熱點(diǎn)應(yīng)力法確定在役起重機(jī)的疲勞壽命。

隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，熱點(diǎn)應(yīng)力法已在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上得到成功的應(yīng)用。熱點(diǎn)應(yīng)力考慮了由結(jié)構(gòu)宏觀幾何外形引起的應(yīng)力集中，但不包含焊縫本身引起的局部應(yīng)力峰值，比名義應(yīng)力法和切口應(yīng)力法更適合實(shí)際工程結(jié)構(gòu)。

研究焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，需要考慮如何獲得焊接部位的應(yīng)力值大小及其分布。根據(jù)所采用的應(yīng)力分類，目前主要有三種方法：名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法和切口應(yīng)力法。名義應(yīng)力法是各種疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范中廣泛使用的方法，該方法將焊接接頭根據(jù)其不同的幾何形式和加載方式分成很多種類型，通過疲勞試驗(yàn)確定每一種類型相對應(yīng)的S-N曲線。但是對于復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，很多時(shí)候難以明確焊接接頭的分類、名義應(yīng)力的大小和分布位置等。嚴(yán)格來說名義應(yīng)力不是一個(gè)具有普遍意義的疲勞控制參量，很難描述局部區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。切口應(yīng)力包括了焊接部位局部幾何形狀及大小等細(xì)節(jié)因素的影響，能夠準(zhǔn)確反映焊接結(jié)構(gòu)疲勞損傷的實(shí)際情況。然而局部的切口應(yīng)力計(jì)算對焊接部位的幾何參數(shù)非常敏感，當(dāng)應(yīng)用于實(shí)際的工程焊接結(jié)構(gòu)時(shí)有相當(dāng)?shù)碾y度。焊接部位的幾何參數(shù)具有隨機(jī)性，即使在焊接過程中有很好的控制，這些參數(shù)如焊接角度、半徑及焊縫形狀等都會(huì)隨著焊接接頭形式的變化而不同。

熱點(diǎn)應(yīng)力法目前已成為工程上最受歡迎的方法。一方面它得益于計(jì)算機(jī)硬件和有限元分析軟件的大力發(fā)展，使得針對復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的精細(xì)應(yīng)力分析成為可能；另一方面熱點(diǎn)應(yīng)力法不需要考慮由焊接本身引起的非線性應(yīng)力峰值的影響，而且理論上可以只用一根S-N曲線評估不同類型焊接頭的疲勞強(qiáng)度，從而避開了切口應(yīng)力法和名義應(yīng)力法的缺陷。

由于起重機(jī)起吊載荷的不同，起重機(jī)的疲勞屬于非等幅疲勞，對于受變幅或隨機(jī)載荷的設(shè)備或構(gòu)件，傳統(tǒng)上一般采用累積損傷原理原理進(jìn)行計(jì)算。對于起重機(jī)的疲勞計(jì)算采用Miners線性累加理論，認(rèn)為起重機(jī)循環(huán)起吊某一載荷會(huì)對起重機(jī)造成一定的損傷，起重機(jī)總的損傷度是不同循環(huán)載荷對起重機(jī)損傷的疊加。

3 現(xiàn)場應(yīng)力測試

實(shí)驗(yàn)工況和測試點(diǎn)選?。喊凑誂PI相關(guān)規(guī)范以及起重機(jī)安全負(fù)載曲線，不同角度下安全起吊載荷不同。為方便后續(xù)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，本著校核起重機(jī)危險(xiǎn)工作狀況以及引起疲勞的日常工作起吊各不同載荷的原則，在該起重機(jī)規(guī)定的安全負(fù)載曲線范圍內(nèi)選取了前面理論計(jì)算所選擇的七種角度和載荷。并選取如下測點(diǎn)：A字架底部測點(diǎn)，A字架頂部測點(diǎn)，吊臂底部耳板測點(diǎn)，吊臂底部弦桿測點(diǎn)，弦桿、支撐桿相交點(diǎn)測點(diǎn)，中、上臂節(jié)連接處測點(diǎn)，吊臂頂部測點(diǎn)，負(fù)載鋼絲繩死繩端測點(diǎn)。

4 疲勞壽命評估

該起重機(jī)疲勞壽命評估計(jì)算理論和原則采用熱點(diǎn)應(yīng)力法以及Miners線性累加理論。所需數(shù)據(jù)及計(jì)算過程如下。

為進(jìn)行該起重機(jī)的壽命計(jì)算，需統(tǒng)計(jì)該機(jī)器自投產(chǎn)以來的吊重重量和次數(shù)記錄。

依據(jù)各部分熱點(diǎn)應(yīng)力值，并依據(jù)疲勞計(jì)算中的線性累加理論計(jì)算，可得到不同部分的累計(jì)損傷度。

測點(diǎn)的疲勞損傷度最大，其值為a，這表示起重機(jī)在服役的b年時(shí)間里，其累積損傷度達(dá)到a。因此起重機(jī)的疲勞壽命為年。根據(jù)API RP 2A對于疲勞計(jì)算應(yīng)該留出2倍的疲勞安全系數(shù)，起重機(jī)的剩余壽命為年。

5 結(jié)論及對策

應(yīng)用上述方法，對一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，找出危險(xiǎn)區(qū)、次危險(xiǎn)區(qū)和普通區(qū)，分別采取對應(yīng)措施。

對于危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)該對全部焊縫進(jìn)行重點(diǎn)檢測和探傷，每年進(jìn)行一次全面檢測。

對于次危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)該對各部分的焊縫進(jìn)行部分抽檢。檢測之前先對所有區(qū)域進(jìn)行目檢，待檢區(qū)域不得出現(xiàn)漆面脫落、局部腐蝕、大的變形以及疲勞裂紋。對出現(xiàn)缺陷的部位必須進(jìn)行全面檢查，其余部位可選擇每年對焊縫的33%進(jìn)行抽檢，所有焊縫的檢測分三年完成。

對于普通區(qū)域，其檢測及探傷的范圍和間隔可適當(dāng)延長。可選擇每年對焊縫的10%進(jìn)行抽檢。

海上平臺(tái)起重機(jī)有些部位可能存在腐蝕，因此為防止疲勞腐蝕造成鋼結(jié)構(gòu)的斷裂，在徹底除銹后應(yīng)進(jìn)行焊縫探傷與裂紋探傷。還應(yīng)注意以下現(xiàn)象：（1）嚴(yán)禁超載現(xiàn)象的發(fā)生；（2）對起重機(jī)應(yīng)力較大位置重點(diǎn)檢查與保護(hù)；（3）細(xì)化與準(zhǔn)確化日常起重機(jī)載荷記錄；（4）定期檢查起重機(jī)各部位傳感器是否準(zhǔn)確；（5）加強(qiáng)日常保養(yǎng)，定期除銹修補(bǔ)裂紋；（6）提高維修質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]美國石油協(xié)會(huì)（API），標(biāo)準(zhǔn)API Spec 2C-2004《海上平臺(tái)起重機(jī)規(guī)范》.

[2]美國石油協(xié)會(huì)（API），標(biāo)準(zhǔn)API RP 2A-2008《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法--荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法》.

[3]中國船級社，《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》.

確保起重機(jī)在役壽命期間安全正常地運(yùn)行是平臺(tái)工作人員所關(guān)心的問題。起重機(jī)必須具備起吊規(guī)定載荷的能力，也就是必須滿足強(qiáng)度的要求；同時(shí)起重機(jī)機(jī)工作時(shí)頻繁地起吊，加上海上惡劣的工作環(huán)境（海風(fēng)、潮濕等），長時(shí)間工作起重機(jī)有可能發(fā)生疲勞破壞。尤其是在應(yīng)力較大的焊接部位，往往是疲勞裂紋的起源部位。在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞分析，確定起重機(jī)的潛在危險(xiǎn)部位以及剩余壽命，對平臺(tái)起重機(jī)的維修和維護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。

疲勞破壞的過程是：零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部的最高應(yīng)力處、最弱的及應(yīng)力最大的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞裂紋。所以，疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、擴(kuò)展和瞬間斷裂三個(gè)階段。

對于起重機(jī)的疲勞采用軟件分析與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，以現(xiàn)場測試為主，軟件分析為輔的方法對起重機(jī)的疲勞進(jìn)行分析。

根據(jù)API-2C推薦，對起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時(shí)應(yīng)該考慮熱點(diǎn)應(yīng)力，用熱點(diǎn)應(yīng)力法確定在役起重機(jī)的疲勞壽命。

隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，熱點(diǎn)應(yīng)力法已在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上得到成功的應(yīng)用。熱點(diǎn)應(yīng)力考慮了由結(jié)構(gòu)宏觀幾何外形引起的應(yīng)力集中，但不包含焊縫本身引起的局部應(yīng)力峰值，比名義應(yīng)力法和切口應(yīng)力法更適合實(shí)際工程結(jié)構(gòu)。

研究焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，需要考慮如何獲得焊接部位的應(yīng)力值大小及其分布。根據(jù)所采用的應(yīng)力分類，目前主要有三種方法：名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法和切口應(yīng)力法。名義應(yīng)力法是各種疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范中廣泛使用的方法，該方法將焊接接頭根據(jù)其不同的幾何形式和加載方式分成很多種類型，通過疲勞試驗(yàn)確定每一種類型相對應(yīng)的S-N曲線。但是對于復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，很多時(shí)候難以明確焊接接頭的分類、名義應(yīng)力的大小和分布位置等。嚴(yán)格來說名義應(yīng)力不是一個(gè)具有普遍意義的疲勞控制參量，很難描述局部區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。切口應(yīng)力包括了焊接部位局部幾何形狀及大小等細(xì)節(jié)因素的影響，能夠準(zhǔn)確反映焊接結(jié)構(gòu)疲勞損傷的實(shí)際情況。然而局部的切口應(yīng)力計(jì)算對焊接部位的幾何參數(shù)非常敏感，當(dāng)應(yīng)用于實(shí)際的工程焊接結(jié)構(gòu)時(shí)有相當(dāng)?shù)碾y度。焊接部位的幾何參數(shù)具有隨機(jī)性，即使在焊接過程中有很好的控制，這些參數(shù)如焊接角度、半徑及焊縫形狀等都會(huì)隨著焊接接頭形式的變化而不同。

熱點(diǎn)應(yīng)力法目前已成為工程上最受歡迎的方法。一方面它得益于計(jì)算機(jī)硬件和有限元分析軟件的大力發(fā)展，使得針對復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的精細(xì)應(yīng)力分析成為可能；另一方面熱點(diǎn)應(yīng)力法不需要考慮由焊接本身引起的非線性應(yīng)力峰值的影響，而且理論上可以只用一根S-N曲線評估不同類型焊接頭的疲勞強(qiáng)度，從而避開了切口應(yīng)力法和名義應(yīng)力法的缺陷。

由于起重機(jī)起吊載荷的不同，起重機(jī)的疲勞屬于非等幅疲勞，對于受變幅或隨機(jī)載荷的設(shè)備或構(gòu)件，傳統(tǒng)上一般采用累積損傷原理原理進(jìn)行計(jì)算。對于起重機(jī)的疲勞計(jì)算采用Miners線性累加理論，認(rèn)為起重機(jī)循環(huán)起吊某一載荷會(huì)對起重機(jī)造成一定的損傷，起重機(jī)總的損傷度是不同循環(huán)載荷對起重機(jī)損傷的疊加。

3 現(xiàn)場應(yīng)力測試

實(shí)驗(yàn)工況和測試點(diǎn)選?。喊凑誂PI相關(guān)規(guī)范以及起重機(jī)安全負(fù)載曲線，不同角度下安全起吊載荷不同。為方便后續(xù)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，本著校核起重機(jī)危險(xiǎn)工作狀況以及引起疲勞的日常工作起吊各不同載荷的原則，在該起重機(jī)規(guī)定的安全負(fù)載曲線范圍內(nèi)選取了前面理論計(jì)算所選擇的七種角度和載荷。并選取如下測點(diǎn)：A字架底部測點(diǎn)，A字架頂部測點(diǎn)，吊臂底部耳板測點(diǎn)，吊臂底部弦桿測點(diǎn)，弦桿、支撐桿相交點(diǎn)測點(diǎn)，中、上臂節(jié)連接處測點(diǎn)，吊臂頂部測點(diǎn)，負(fù)載鋼絲繩死繩端測點(diǎn)。

4 疲勞壽命評估

該起重機(jī)疲勞壽命評估計(jì)算理論和原則采用熱點(diǎn)應(yīng)力法以及Miners線性累加理論。所需數(shù)據(jù)及計(jì)算過程如下。

為進(jìn)行該起重機(jī)的壽命計(jì)算，需統(tǒng)計(jì)該機(jī)器自投產(chǎn)以來的吊重重量和次數(shù)記錄。

依據(jù)各部分熱點(diǎn)應(yīng)力值，并依據(jù)疲勞計(jì)算中的線性累加理論計(jì)算，可得到不同部分的累計(jì)損傷度。

測點(diǎn)的疲勞損傷度最大，其值為a，這表示起重機(jī)在服役的b年時(shí)間里，其累積損傷度達(dá)到a。因此起重機(jī)的疲勞壽命為年。根據(jù)API RP 2A對于疲勞計(jì)算應(yīng)該留出2倍的疲勞安全系數(shù)，起重機(jī)的剩余壽命為年。

5 結(jié)論及對策

應(yīng)用上述方法，對一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，找出危險(xiǎn)區(qū)、次危險(xiǎn)區(qū)和普通區(qū)，分別采取對應(yīng)措施。

對于危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)該對全部焊縫進(jìn)行重點(diǎn)檢測和探傷，每年進(jìn)行一次全面檢測。

對于次危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)該對各部分的焊縫進(jìn)行部分抽檢。檢測之前先對所有區(qū)域進(jìn)行目檢，待檢區(qū)域不得出現(xiàn)漆面脫落、局部腐蝕、大的變形以及疲勞裂紋。對出現(xiàn)缺陷的部位必須進(jìn)行全面檢查，其余部位可選擇每年對焊縫的33%進(jìn)行抽檢，所有焊縫的檢測分三年完成。

對于普通區(qū)域，其檢測及探傷的范圍和間隔可適當(dāng)延長。可選擇每年對焊縫的10%進(jìn)行抽檢。

海上平臺(tái)起重機(jī)有些部位可能存在腐蝕，因此為防止疲勞腐蝕造成鋼結(jié)構(gòu)的斷裂，在徹底除銹后應(yīng)進(jìn)行焊縫探傷與裂紋探傷。還應(yīng)注意以下現(xiàn)象：（1）嚴(yán)禁超載現(xiàn)象的發(fā)生；（2）對起重機(jī)應(yīng)力較大位置重點(diǎn)檢查與保護(hù)；（3）細(xì)化與準(zhǔn)確化日常起重機(jī)載荷記錄；（4）定期檢查起重機(jī)各部位傳感器是否準(zhǔn)確；（5）加強(qiáng)日常保養(yǎng)，定期除銹修補(bǔ)裂紋；（6）提高維修質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]美國石油協(xié)會(huì)（API），標(biāo)準(zhǔn)API Spec 2C-2004《海上平臺(tái)起重機(jī)規(guī)范》.

[2]美國石油協(xié)會(huì)（API），標(biāo)準(zhǔn)API RP 2A-2008《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法--荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法》.

[3]中國船級社，《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》.