采油平臺(tái)吊機(jī)立柱環(huán)板焊縫局部缺陷影響分析

何建波 李杰 李世杰

摘 要：文章結(jié)合某在役平臺(tái)吊機(jī)立柱環(huán)板焊縫發(fā)現(xiàn)局部缺陷的問題，利用三維CAD軟件建立吊機(jī)立柱及局部平臺(tái)的板殼模型，在有限元軟件中分析其應(yīng)力和變形，為評(píng)估平臺(tái)吊機(jī)在當(dāng)前狀況下運(yùn)行的安全性提供參考。

關(guān)鍵詞：吊機(jī)立柱；焊縫缺陷；有限元分析；安全評(píng)估

中圖分類號(hào)：P756.8；X74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）24-0177-02

某在役采油平臺(tái)在2013年的十年特檢中，發(fā)現(xiàn)30 t吊機(jī)立柱環(huán)板與中層甲板和生產(chǎn)甲板焊縫處有缺陷?？紤]到吊機(jī)立柱里面存儲(chǔ)為柴油，修復(fù)工藝相當(dāng)復(fù)雜和存在高風(fēng)險(xiǎn)性，作業(yè)方委托設(shè)計(jì)公司評(píng)估上述兩處缺陷對(duì)吊機(jī)立柱支撐結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

1 吊機(jī)立柱環(huán)板缺陷位置

根據(jù)2013年的十年特檢結(jié)果，環(huán)板焊縫的缺陷位置，分別如圖1、2所示。

2 吊機(jī)立柱及局部平臺(tái)模型的建立

根據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)提供的吊機(jī)立柱及相關(guān)的甲板梁結(jié)構(gòu)圖紙，吊機(jī)立柱周圍的主要梁結(jié)構(gòu)為3A、3B及B柱，如圖3所示，故在三維CAD軟件中建立上述3柱包含范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)模型，在焊縫存在缺陷的位置按失效連接處理，所建模型如圖4所示。

模型在有限元軟件中處理為板殼單元，賦予對(duì)應(yīng)的厚度，部分單元需要進(jìn)行偏置設(shè)置。劃分網(wǎng)格后共得到單元322 219個(gè)，節(jié)點(diǎn)325 946個(gè)。

模型為鋼結(jié)構(gòu)，材料參數(shù)如下：彈性模量2×105 MPa；屈服強(qiáng)度355 MPa；泊松比0.25；密度7 850 kg/m3。

3 載荷工況及約束條件

吊機(jī)立柱受力情況參照原平臺(tái)設(shè)計(jì)SACS計(jì)算輸入值，受力情況如下：

吊機(jī)自重：470.88 kN；吊機(jī)操作重：607.12 kN；吊機(jī)立柱內(nèi)柴油重：850 kN；附加彎矩：14 715 kN·m。

其中，考慮環(huán)境荷載對(duì)局部結(jié)構(gòu)的影響，附加彎矩組合系數(shù)為1.1，其余荷載組合系數(shù)為1.0。同時(shí)，附加彎矩按8個(gè)方向考慮，因此組合工況有8種，即0 °、45 °、90 °135 °、180 °、225 °、270 °和315 °，分布如圖5所示。

施加上述載荷后，還需施加約束條件。由于3柱與B柱交叉位置為導(dǎo)管架，下部埋入海底泥床，故可認(rèn)為為固定約束，即約束所又平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。平臺(tái)建模時(shí)只取了局部結(jié)構(gòu)，故3B柱右側(cè)、B柱下側(cè)與平臺(tái)其他結(jié)構(gòu)相連的位置設(shè)置為鉸接約束，即約束所有平動(dòng)自由度。

4 分析結(jié)果

根據(jù)上述條件，在Nastran中進(jìn)行靜力分析，得到模型在8種工況下在應(yīng)力云圖，如圖6所示。

5 結(jié) 語

從強(qiáng)度方面來說，材料的屈服強(qiáng)度為355 MPa，取安全系數(shù)1.25，則材料許用強(qiáng)度為284 MPa。8種工況下的計(jì)算結(jié)果見表1。

由上表可知，270°工況下最大應(yīng)力值為267 MPa，在8種工況中最大，但小于材料許用強(qiáng)度284 MPa，故各工況條件下機(jī)立柱支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足承載要求。

海洋平臺(tái)的吊機(jī)長(zhǎng)期處于循環(huán)動(dòng)載的工況條件，海上環(huán)境潮濕且具有腐蝕性，環(huán)板處的缺陷在疲勞工況下容易發(fā)生擴(kuò)展。基于上述原因，為確保吊機(jī)的安全使用，建議每3個(gè)月對(duì)缺陷位置進(jìn)行一次檢測(cè)，加強(qiáng)對(duì)缺陷位置的監(jiān)測(cè)；并建議在環(huán)板和立柱間增加臨時(shí)加強(qiáng)筋板，避免在維修前裂紋的擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] MSC Software. MSC Nastran Quick Reference Guide[M]. L.A.：MSC Software， 2013.

[2] API RP 2A，海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造推薦做法[S].

[3] GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].