海洋石油平臺吊機筋板裂紋評估分析

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 某海上平臺吊機筋板問題匯總

1.1 吊機筋板裂紋情況

2017—2019 年連續(xù)3 年檢測人員在對某平臺4 臺吊機將軍柱底部支撐焊接部位探傷檢查時，發(fā)現(xiàn)4 臺吊機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250 mm。

1.2 吊機筋板其他問題

①4 臺吊機中，有3 臺吊機的將軍柱其支撐板設(shè)有應(yīng)力釋放孔。

②4 臺吊機中，有1 臺吊機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)近似的方法對真實物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進行模擬[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 臺吊機的最大應(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)在吊機立柱筋板的頂部，最高達到了911 MPa。4 臺吊機的筋板最大應(yīng)力均超出了許用屈服強度并產(chǎn)生塑性變形，在吊機立柱往復(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)場檢測結(jié)果高度吻合，據(jù)此可判斷吊機立柱筋板產(chǎn)生裂紋的主要原因是吊機立柱筋板應(yīng)力超標。

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 對照設(shè)計詳圖分析結(jié)果

①B 吊機缺少一塊筋板，會導(dǎo)致其他筋板及立柱本身應(yīng)力增大，應(yīng)力超標情況更加嚴重，見圖5。

圖5 詳設(shè)圖紙Fig.5 Detail design drawing

②CEP 電吊筋板根部無過焊孔。根據(jù)詳設(shè)圖紙，所有吊機立柱筋板根部均設(shè)置過焊孔，以避開吊機立柱環(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 評估結(jié)果

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

圖6 詳設(shè)圖紙Fig.6 Detail design drawing

綜上可知當前的筋板形式無法滿足吊機正常工作的強度要求，應(yīng)針對筋板的應(yīng)力超標情況進行優(yōu)化設(shè)計，以降低筋板的應(yīng)力集中問題，避免裂紋的進一步擴展傷害到吊機立柱主體。

3 吊機立柱筋板優(yōu)化建議

3.1 優(yōu)化方案

考慮到為吊機立柱增加斜拉筋的方案改動量較大，優(yōu)化方案僅針對筋板本身進行調(diào)整，目標是降低筋板的應(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Fig.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)化后的筋板和吊機立柱主體的強度水平均滿足強度要求，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)場實際情況，設(shè)計合理的筋板可以有效降低吊機立柱根部焊縫的應(yīng)力集中情況，對于提高吊機立柱疲勞壽命有顯著效果。建議4 臺吊機的立柱筋板全部按照優(yōu)化后的筋板形式進行更換，年檢中的結(jié)構(gòu)檢測范圍應(yīng)擴大到吊機立柱周邊結(jié)構(gòu)。