某自升式平臺(tái)生活模塊底座螺栓斷裂失效分析及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

某自升式平臺(tái)主要用于渤海灣海上生活支持服務(wù)。依照《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》[1]及該自升式平臺(tái)操作手冊(cè)，對(duì)其環(huán)境條件考慮正常作業(yè)狀態(tài)與風(fēng)暴自存狀態(tài)，具體的環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 自升式平臺(tái)環(huán)境參數(shù)

該自升式平臺(tái)的生活模塊坐落于船艉部原井口槽處，通過(guò)螺栓及工字鋼與主船體相連接。生活模塊質(zhì)量為420 t，長(zhǎng)14.5 m、寬13.716 m、高12.6 m。 自升式平臺(tái)生活模塊的結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1，載荷方向見(jiàn)圖2。自升式平臺(tái)底座螺栓的材質(zhì)為2Cr13，其安裝方式見(jiàn)圖3。

圖1 自升式平臺(tái)生活模塊結(jié)構(gòu)布置

圖2 自升式平臺(tái)生活模塊載荷方向

圖3 自升式平臺(tái)生活模塊底座螺栓安裝方式

在自升式平臺(tái)海上作業(yè)及塢內(nèi)維修期間，生活模塊底座螺栓均出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象，斷裂位置集中在槽鋼兩端。初步分析認(rèn)為螺栓斷裂有4種可能原因：①拖輪就位工況下，船艉拖曳力導(dǎo)致螺栓受剪切作用斷裂。②風(fēng)載荷引起螺栓受拉、受彎，導(dǎo)致總應(yīng)力超標(biāo)。③拖航時(shí)的橫向作用力、縱向作用力引起螺栓受拉、受彎，導(dǎo)致總應(yīng)力超標(biāo)。④船艉原井口槽變形，導(dǎo)致生活模塊定位安裝時(shí)槽鋼前后兩端的螺栓受力不均，拉應(yīng)力超標(biāo)。針對(duì)上述原因，筆者通過(guò)建立有限元模型，對(duì)生活模塊底座螺栓斷裂原因進(jìn)行有限元直接計(jì)算分析，并提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)建議。

1 生活模塊有限元模型建立

采用MSC.Patran作為有限元建模及后處理軟件，MSC.Nastran作為解算器，對(duì)該平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

根據(jù)生活模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在自升式平臺(tái)整體有限元模型的基礎(chǔ)上，采用板單元、梁?jiǎn)卧倪m當(dāng)組合，將生活模塊離散為空間板、梁的組合結(jié)構(gòu)，并對(duì)生活模塊底部的槽鋼、工字鋼以及連接螺栓進(jìn)行模擬。

按真實(shí)尺寸對(duì)槽鋼和工字鋼進(jìn)行板單元模擬，對(duì)連接螺栓進(jìn)行bar單元模擬，并采用關(guān)聯(lián)z向位移的mpc點(diǎn)模擬槽鋼和工字鋼的耦合。板厚和槽鋼及工字鋼的尺寸嚴(yán)格按照該平臺(tái)完工資料和測(cè)厚報(bào)告進(jìn)行選取。

圖4 生活模塊底座槽鋼及工字鋼有限元模型軸側(cè)圖

圖5 生活模塊底座連接螺栓有限元模型軸側(cè)圖

2 生活模塊載荷計(jì)算及施加方式

2.1 拖曳力

根據(jù)相關(guān)拖輪參數(shù)，平臺(tái)拖航時(shí)單根托纜索的拖曳力為1 420 kN[2-4]，與船長(zhǎng)方向成24°夾角，以節(jié)點(diǎn)力的方式施加于船艉（圖2a）。

2.2 風(fēng)載荷

生活模塊主要承受風(fēng)載荷的作用，并且將載荷傳遞給螺栓及主船體結(jié)構(gòu)，因此分析時(shí)應(yīng)主要考慮風(fēng)載荷對(duì)生活模塊的影響。

風(fēng)載荷以面壓力的方式施加在自升式平臺(tái)生活模塊各受風(fēng)面上，在0°～180°內(nèi)每隔30°計(jì)算1次風(fēng)載荷。

取風(fēng)暴自存狀態(tài)下的風(fēng)速為51.5 m/s，依據(jù)文獻(xiàn)[5]，作用于構(gòu)件上的風(fēng)載荷F應(yīng)當(dāng)按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）～式（2）中，Ch為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)，可根據(jù)構(gòu)件高度選??；Cs為受風(fēng)構(gòu)件的形狀系數(shù)，可根據(jù)構(gòu)件形狀選取；S為平臺(tái)在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2；p為風(fēng)壓，kPa；v為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

風(fēng)速51.5 m/s時(shí)自升式平臺(tái)生活模塊不同風(fēng)向的風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)速51.5 m/s時(shí)生活模塊風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果

2.3 拖航時(shí)橫向及縱向作用力

拖航時(shí)生活模塊的橫向作用力、縱向作用力分別是橫搖力、縱搖力和對(duì)應(yīng)的風(fēng)作用力的疊加，依據(jù)文獻(xiàn)[6-7]，有：

秸稈倉(cāng)庫(kù)接地干線采用熱鍍鋅扁鋼50*5埋入地下0.8米深以上，倉(cāng)庫(kù)屋頂是鋼板結(jié)構(gòu)，直接利用其作為屋面接閃器，屋面不做防雷帶，直接用扁鋼引至屋頂可靠接地作為防雷裝置，現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)#1、#2料庫(kù)只有一點(diǎn)接地，規(guī)定為至少2點(diǎn)接地，站柱根部發(fā)現(xiàn)屋頂連接至接地體的扁鋼已消失，根部有斷裂痕跡，建議有登高資質(zhì)外包商進(jìn)行接地扁鋼修復(fù)

式中，F(xiàn)H為拖航時(shí)生活模塊的橫向作用力或縱向作用力，F(xiàn)q為風(fēng)作用力，kN；m為生活模塊質(zhì)量，kg；aH為在自升式平臺(tái)橫搖、縱搖以及升沉運(yùn)動(dòng)下生活模塊的水平加速度，g為重力加速度，m/s2；T為自升式平臺(tái)的搖擺周期，s；rv為生活模塊質(zhì)心距漂心的垂向距離，m；θ為自升式平臺(tái)的橫傾角或者縱傾角，取15°。

式（4）等號(hào)后第1部分為生活模塊繞漂心搖擺產(chǎn)生慣性力的水平加速度分量，第2部分為由于傾斜重力產(chǎn)生的水平加速度分量。

平臺(tái)吃水深度dz=2.134 m，生活樓高12.6 m、長(zhǎng)14.8 m、寬18.3 m，型深4.267 m，型寬32.614 m，橫搖回轉(zhuǎn)半徑8.434 m，橫向受風(fēng)面積186.48 m2、縱向受風(fēng)面積230.58 m2，計(jì)算得到橫向拖航風(fēng)力186.48 kN、縱向拖航風(fēng)力230.58 kN。浮心縱向位置29.29 m，縱搖回轉(zhuǎn)半徑21.993 68 m，橫搖周期T=10 s，橫搖、縱搖角度均為15°，橫搖加速度3.915 119 m/s2，縱搖加速度 5.316 466 m/s2，計(jì)算得到橫搖力1 644.35 kN，縱搖力2 232.916 kN，橫向力1 874.93 kN，縱向力2 419.396 kN。

3 生活模塊底座螺栓應(yīng)力計(jì)算及校核

3.1 校核標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)文獻(xiàn)[1，8-9]的要求，對(duì)承受軸向拉伸和彎曲組合作用的緊固螺栓連接，其計(jì)算應(yīng)力應(yīng)滿足以下要求：

式（5）～式（6）中，σa為計(jì)算軸向拉伸應(yīng)力，σby為構(gòu)件關(guān)于橫截面y軸的計(jì)算彎曲應(yīng)力，σbz為構(gòu)件關(guān)于橫截面z軸的計(jì)算彎曲應(yīng)力，[σt]為許用拉伸/彎曲應(yīng)力，σs為材料的屈服強(qiáng)度，MPa；S1為安全系數(shù)，取1.25。

底座螺栓材質(zhì)為合金材料2Cr13，該材料的抗剪切強(qiáng)度為320～400 MPa，抗拉強(qiáng)度為400～500 MPa，屈服強(qiáng)度為450 MPa。為安全起見(jiàn)，應(yīng)力校核時(shí)選取螺栓的許用拉伸/彎曲應(yīng)力[σt]=450/1.25=360（MPa）。

3.2 校核結(jié)果

進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，依據(jù)文獻(xiàn)[10-13]，邊界條件取為沉墊底部鉸支，未考慮螺栓預(yù)緊力的影響。分不同工況施加拖曳力、風(fēng)速51.5 m/s時(shí)的風(fēng)載荷橫搖力（極限工況下的橫搖力）、縱搖力，提取各工況下底座螺栓的軸向拉伸和彎曲組合應(yīng)力進(jìn)行校核，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同計(jì)算工況載荷下生活模塊底座螺栓最大組合應(yīng)力校核結(jié)果

4 生活模塊底座螺栓斷裂原因

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算及校核結(jié)果，該自升式平臺(tái)拖航時(shí)，船體受風(fēng)橫傾，生活模塊所受橫向力較大，底座螺栓所受最大拉彎組合應(yīng)力達(dá)415 MPa，超過(guò)許用應(yīng)力360 MPa。應(yīng)力較大位置出現(xiàn)在槽鋼兩端，在使用中容易產(chǎn)生疲勞斷裂[14-20]。

根據(jù)船體望光測(cè)量報(bào)告，船艉原井口槽兩端存在高度差，特別是在槽鋼兩端，高度差超過(guò)了50 mm。在螺栓預(yù)緊時(shí)，此高度差使槽鋼兩端螺栓拉應(yīng)力超標(biāo)，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。此外，槽鋼靠近船尾的一端只有1個(gè)連接螺栓，結(jié)構(gòu)薄弱，易發(fā)生斷裂失效。生活模塊底座連接螺栓位置見(jiàn)圖6，圖中數(shù)字17～27指船體橫梁編號(hào)。

圖6 生活模塊底座連接螺栓位置

5 生活模塊底座螺栓結(jié)構(gòu)加強(qiáng)建議

5.1 更換高強(qiáng)螺栓并增加螺栓數(shù)量

通過(guò)應(yīng)力計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)勘查，依據(jù)文獻(xiàn)[21]，建議將槽鋼兩端的螺栓更換為屈服強(qiáng)度不小于550 MPa的高強(qiáng)螺栓，并在靠近船艉一端增加1個(gè)緊固螺栓。

5.2 增加側(cè)邊板

在工字鋼和槽鋼的連接處增加側(cè)邊板 （圖7），側(cè)邊板可沿槽鋼長(zhǎng)度方向間隔布置，槽鋼兩端要設(shè)置側(cè)邊板。有關(guān)的有限元計(jì)算表明，此種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以顯著降低緊固螺栓的應(yīng)力水平。在日常維護(hù)中，應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)生活模塊下方4個(gè)角焊縫及螺栓的檢查。

圖7 增加側(cè)邊板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

5.3 增加U型槽鋼

在槽鋼兩端的螺栓連接處增加U型槽鋼，并通過(guò)高強(qiáng)螺栓緊固 （圖8），用于槽鋼和工字鋼之間的連接。

U型槽鋼可沿槽鋼長(zhǎng)度方向間隔布置，但槽鋼兩端的螺栓處必須有此類加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

圖8 增加U型槽鋼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

5.4 增加L型角鋼

在槽鋼兩端的螺栓連接處增加倒扣的L型角鋼，并通過(guò)高強(qiáng)螺栓緊固（圖9），用于槽鋼和工字鋼的連接。

L型角鋼可沿槽鋼長(zhǎng)度方向間隔布置，但槽鋼兩端的螺栓處必須有此類加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

圖9 增加L型角鋼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)某自升式平臺(tái)生活模塊底座螺栓在海上作業(yè)及塢內(nèi)維修期間出現(xiàn)斷裂失效的原因進(jìn)行了分析，得出了導(dǎo)致螺栓斷裂的2個(gè)直接原因。建議通過(guò)更換高強(qiáng)螺栓、增加螺栓數(shù)量對(duì)底座螺栓進(jìn)行加強(qiáng)，并給出了3種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。在3種生活模塊底座螺栓加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中，增加側(cè)邊板結(jié)構(gòu)最為方便快捷，不影響平臺(tái)海上正常作業(yè)，增加U型槽鋼和L型角鋼的加強(qiáng)方式均需在平臺(tái)靠泊碼頭或者進(jìn)塢后，通過(guò)500 t吊機(jī)配合進(jìn)行改造。