海洋石油平臺吊艇架結構安全評估*

張士超

(中海油安全技術服務有限公司，天津 300450)

0 引言

海洋石油平臺高風險作業多，容易發生各類突發情況甚至是火災、爆炸等重大安全生產事故[1-2]，因此每個平臺都會配備救生艇作為救逃生工具。吊艇架是用于吊放救生艇的關鍵設備，其任務是保證救生艇和人員快速、安全地降放至水面，其在海上救逃生發揮著重要的作用[3-5]。海洋石油平臺定員多，救生艇均為大容量救生艇，載重量大，吊艇架結構的安全狀態將直接影響到海洋石油平臺的救生救援。這對吊艇架結構的承載能力提出了很大的要求，應予以高度重視。

目前針對平臺吊艇架制定的標準較少[6-7]，此外檢驗及評估機構對平臺吊艇架的關注點多集中在釋放機構[8-10]，對吊艇架結構強度關注不夠。即便涉及到吊艇架結構檢驗，現場也多以外觀目檢、探傷、功能試驗等方式進行，無法得知整體受力狀態。本文從工程應用角度出發，運用ABAQUS有限元軟件，對某海洋石油平臺吊艇架結構進行動靜態分析，確定了受力及變形情況，并依據應力分析結果進行了結構件的無損探傷，同時進行了救生艇下放的功能試驗。為吊艇架的安全評估提供了一種新思路。

1 平臺吊艇架概況

渤海某導管架平臺救生艇為全封閉玻璃鋼救生艇，升降方式為電動起艇，重力放艇。吊艇架根部以焊接方式固定在平臺甲板上，整個吊艇架伸出平臺以保證救生艇懸掛在弦外。平臺救生艇整體結構安裝示意見圖1。

1.全封閉型救生艇；2.吊艇架；3.起艇絞車。圖1 平臺救生艇安裝示意Fig.1 Installation diagram of platform lifeboat

平臺吊艇架主要由艏艉吊臂、絞車平臺、吊艇索、限位裝置、懸掛裝置、固艇裝置、遙控放艇裝置、轉角滑車等組成。艏艉吊臂和絞車平臺組成一個剛架，是救生艇的主要承載構件，其結構性能參數見表1。

表1 吊艇架結構性能參數Table 1 Performance parameters of davit structure

2 吊艇架有限元仿真

為得知整體結構在多重載荷作用下的力學響應，采用ABAQUS有限元軟件對吊艇架結構進行動態及靜態有限元分析[11-12]。

2.1 靜力分析

建立吊艇架三維實體模型，建模時將吊艇架滑輪、扶梯、欄桿等附屬構件忽略，只建立鋼架結構模型。為研究吊艇架細部受力狀態，將局部構造細化。網格單元類型設為C3D8R，有限元模型劃分共計77 859個單元，網格劃分見圖2。

圖2 吊艇架有限元網格Fig.2 Finite element of davit

吊艇架立柱下端及加強板與平臺焊接，設為固定約束。救生艇懸掛點為2個固定在吊艇架上前端的定滑輪，在此將滑輪中心與滑輪固定面進行耦合約束，施加載荷時可簡化為作用在滑輪中心向下的集中力，依據出廠要求設定為2.2倍額定工作載荷；由于起艇絞車質量較大，不可忽略其對吊艇架承載的影響，可簡化成集中載荷(1T)施加在絞車平臺預定位置；此外，對整個結構施加重力載荷。載荷施加示意見圖3。

圖3 吊艇架載荷示意Fig.3 Load diagram of davit

依據標準及設計要求，吊艇架最小安全系數為2.5，此吊艇架材料屈服強度235 MPa，故容許應力為94 MPa。由圖4可見，吊艇架最大等效應力為70.81 MPa，小于容許應力94 MPa，說明吊艇架結構在承受2.2倍工作負荷下滿足強度要求。最大等效應力出現吊艇架立柱與平臺固定的加強板交接處，原因在于吊艇架受救生艇的負荷產生前傾，對靠近吊艇架與甲板約束部位產生了較強的拉應力。吊艇架位移云圖如圖5所示。由圖5可知，吊艇架最大位移3.38 mm，出現在吊艇架絞車平臺前梁處，變形較小。

圖4 吊艇架應力云圖Fig.4 Stress nephogram of davit

圖5 吊艇架位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of davit

2.2 模態分析

在救生艇緊急升降工況下，會有突然下放及緊急制動情況，此外會受到海面較強的橫風作用，這些都會對吊艇架結構產生劇烈振動。為分析出吊艇架結構的振動特性，可進行結構模態分析[13-15]。在進行模態分析時，將各桿件類型設置為B33單元類型，動態分析模型劃分共計1 256個單元。

計算得到吊艇架前30階振動固有頻率和振型。由于對運動起主導作用的只是前面的幾階模態，所以根據需要分析吊艇架前幾階振動特性有實際意義。圖6給出了前4階振型，表2列出了前4階自振頻率。

通過圖6可以看出，吊艇架的振動特點為：第1階振型吊艇架主要表現為整體的左右振動；第2階振型吊艇架主要表現為整體的前后振動；第3階振型吊艇架主要表現為吊艇架沿垂直方向扭轉；第4階振型吊艇架主要表現吊艇架的上下振動。

圖6 吊艇架前4階振型Fig.6 First four order vibration mode of davit

表2 吊艇架前4階模態頻率Table 2 Modal frequency of the first four orders of davit

由表2可見，吊艇架結構自振頻率較大，這是由于吊艇架剛度大導致。在配套及使用海洋石油平臺其他機械設備時，應盡量避免與吊艇架固有頻率相同或相近，以免發生共振對吊艇架結構造成影響。

3 吊艇架現場檢驗

有限元分析結論可以得出吊艇架結構受力及變形情況，但無法得知吊艇架結構是否存在裂紋等缺陷及實際使用過程中的結構響應，故需現場進行無損探傷及救生艇收放功能試驗進一步確保吊艇架安全。

3.1 無損探傷

焊縫及應力集中部位是吊艇架結構承載薄弱區域，因此這些位置是無損探傷的重點關注部位。根據有限元應力分析結果，對吊艇架應力集中桿件及關鍵焊縫進行磁粉及超聲波探傷，見圖7所示。探傷顯示，結構及焊縫經100%掃查，未發現可記錄缺陷，結果判定合格。

圖7 吊艇架超聲探傷Fig.7 Ultrasonic flaw detection of davit

3.2 功能試驗

為進一步驗證在救生艇收放過程中吊艇架結構承載力滿足要求，在平臺現場進行了救生艇升降功能試驗，試驗現場見圖8。試驗方式為將空艇下放至水面，再起升至儲存位置，試驗過程中吊艇架各機構動作靈活，無故障，吊艇架結構未發生顯著的變形與損傷。

圖8 吊艇架功能試驗Fig.8 Function test of davit

4 結論

1)有限元靜力分析結果表明，吊艇架結構在2.2倍工作負荷作用下強度及變形均滿足要求。

2)通過模態分析可以得出，吊艇架結構自振頻率較大。在配套及使用海洋石油平臺其他機械設備時，盡量避免與吊艇架固有頻率相同或相近，防止共振對吊艇架結構造成影響。

3)現場無損探傷未見結構及焊縫存在表面及內部缺陷，功能測試表明吊艇架結構本體及相關構件沒有發生明顯變形及損壞。

4)本評估方法結合了有限元分析及現場檢驗2種手段，對吊艇架結構安全現狀評估提供一種新的思路。

5)鑒于目前現場難以實現對吊艇架結構的應力測試工作，故未對吊艇架有限元的分析結論進行有效驗證。將來在條件允許情況下，可加入結構應力測試完善吊艇架結構的評估技術。