海洋石油平臺(tái)吊機(jī)筋板裂紋評(píng)估分析

張武超，張英杰，趙 偉，帥劍鋒

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

1 某海上平臺(tái)吊機(jī)筋板問題匯總

1.1 吊機(jī)筋板裂紋情況

2017—2019 年連續(xù)3 年檢測(cè)人員在對(duì)某平臺(tái)4 臺(tái)吊機(jī)將軍柱底部支撐焊接部位探傷檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)4 臺(tái)吊機(jī)將軍柱底部不同的支撐板的焊接部位出現(xiàn)裂紋，其長度20～60 mm 不等，最長達(dá)250 mm。

1.2 吊機(jī)筋板其他問題

①4 臺(tái)吊機(jī)中，有3 臺(tái)吊機(jī)的將軍柱其支撐板設(shè)有應(yīng)力釋放孔。

②4 臺(tái)吊機(jī)中，有1 臺(tái)吊機(jī)的將軍柱支撐板未呈米字均勻分布，明顯可見缺少1 塊支撐板。

③在裂紋修復(fù)施工中，發(fā)現(xiàn)裂紋處熔焊填充金屬存在夾渣和氣孔，焊接質(zhì)量不過關(guān)。

2 吊機(jī)立柱結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元分析方法

有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬[1]。利用簡單而又相互作用的元素(即單元)，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)[2]。本文采用軟件為ANSAYS。

2.2 分析結(jié)果

2.2.1 通過有限元分析結(jié)果

發(fā)現(xiàn)4 臺(tái)吊機(jī)的最大應(yīng)力工況結(jié)果如下：

①A 吊270 度應(yīng)力工況最大，結(jié)果分析見圖1。

②B 吊270 度應(yīng)力工況最大，結(jié)果分析見圖2。

③C 吊0 度應(yīng)力工況最大，結(jié)果分析見圖3。

④D 吊90 度應(yīng)力工況時(shí)最大，結(jié)果分析見圖4。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在吊機(jī)立柱筋板的頂部，最高達(dá)到了911 MPa。4 臺(tái)吊機(jī)的筋板最大應(yīng)力均超出了許用屈服強(qiáng)度并產(chǎn)生塑性變形，在吊機(jī)立柱往復(fù)荷載的作用下，在塑性區(qū)域及附近產(chǎn)生裂紋，塑性區(qū)域的位置與現(xiàn)場檢測(cè)結(jié)果高度吻合，據(jù)此可判斷吊機(jī)立柱筋板產(chǎn)生裂紋的主要原因是吊機(jī)立柱筋板應(yīng)力超標(biāo)。

圖1 A吊全局應(yīng)力云圖(左)與筋板應(yīng)力云圖(右)Fig.1 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane A

圖2 B吊全局應(yīng)力云圖(左)與筋板應(yīng)力云圖(右)Fig.2 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane B

圖3 C吊全局應(yīng)力云圖(左)與筋板應(yīng)力云圖(右)Fig.3 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane C

圖4 D吊全局應(yīng)力云圖(左)與筋板應(yīng)力云圖(右)Fig.4 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane D

2.2.2 對(duì)照設(shè)計(jì)詳圖分析結(jié)果

①B 吊機(jī)缺少一塊筋板，會(huì)導(dǎo)致其他筋板及立柱本身應(yīng)力增大，應(yīng)力超標(biāo)情況更加嚴(yán)重，見圖5。

圖5 詳設(shè)圖紙F(tuán)ig.5 Detail design drawing

②CEP 電吊筋板根部無過焊孔。根據(jù)詳設(shè)圖紙，所有吊機(jī)立柱筋板根部均設(shè)置過焊孔，以避開吊機(jī)立柱環(huán)板焊縫，但CEP 電吊的筋板根部未設(shè)置過焊孔，導(dǎo)致焊縫重疊。推測(cè)此處裂紋的產(chǎn)生原于焊縫重疊導(dǎo)致的焊接缺陷以及非正常的應(yīng)力集中，見圖6。

2.3 評(píng)估結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場檢測(cè)和有限元分析的結(jié)果，吊機(jī)立柱筋板裂紋產(chǎn)生的直接原因是筋板應(yīng)力超標(biāo)及建造缺陷，間接原因是未設(shè)置吊機(jī)立柱斜拉筋，導(dǎo)致吊機(jī)立柱根部彎矩偏大，雖然主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，但未考慮筋板的強(qiáng)度。

圖6 詳設(shè)圖紙F(tuán)ig.6 Detail design drawing

綜上可知當(dāng)前的筋板形式無法滿足吊機(jī)正常工作的強(qiáng)度要求，應(yīng)針對(duì)筋板的應(yīng)力超標(biāo)情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低筋板的應(yīng)力集中問題，避免裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展傷害到吊機(jī)立柱主體。

3 吊機(jī)立柱筋板優(yōu)化建議

3.1 優(yōu)化方案

考慮到為吊機(jī)立柱增加斜拉筋的方案改動(dòng)量較大，優(yōu)化方案僅針對(duì)筋板本身進(jìn)行調(diào)整，目標(biāo)是降低筋板的應(yīng)力集中情況，最終優(yōu)化的筋板形式見圖7。

以應(yīng)力最高的A、B 吊機(jī)的270 度工況為例，優(yōu)化后的有限元分析結(jié)果如圖8。

圖7 筋板優(yōu)化圖紙F(tuán)ig.7 Optimization drawings of reinforcement plate

圖8 優(yōu)化后筋板應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of reinforcement plate after optimization

可以看出，優(yōu)化后的筋板和吊機(jī)立柱主體的強(qiáng)度水平均滿足強(qiáng)度要求，筋板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在切弧區(qū)域，與原方案比焊縫處的應(yīng)力有顯著下降。

3.2 改造建議

根據(jù)有限元分析結(jié)果及現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的筋板可以有效降低吊機(jī)立柱根部焊縫的應(yīng)力集中情況，對(duì)于提高吊機(jī)立柱疲勞壽命有顯著效果。建議4 臺(tái)吊機(jī)的立柱筋板全部按照優(yōu)化后的筋板形式進(jìn)行更換，年檢中的結(jié)構(gòu)檢測(cè)范圍應(yīng)擴(kuò)大到吊機(jī)立柱周邊結(jié)構(gòu)。