導管架建造吊機摘鉤前的最低焊接量評估研究
——以陸豐15-1鉆采平臺導管架建造某結構片安裝為例

龐 慶，史 政，龐煌煒

1.深圳赤灣勝寶旺工程有限公司，廣東 深圳 518068

2.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663

3.重慶水泵廠有限責任公司，重慶 400033

導管架建造的基本方法是按一定的規則將整個結構分解為多個分片和散拉筋，這些分片和散拉筋在地面上預制完成后再分別以一定的順序完成組裝。

吊機是海洋工程陸地建造過程中的核心資源，需要合理規劃，高效利用。據統計1個1.6萬t左右的大型導管架，有50個左右的結構分片，近300個現場焊接口。按傳統的方法，即100%焊接量或者按經驗值（一般按80%）完成后才允許摘鉤撤離吊機，則吊機在位等待時間的總和是一個不小的數字。

傳統的方法在實踐中滿足不了大中型導管架建造的實際需求。對此，文章提出了一種焊接量評估方法，成功解決了吊機摘鉤的時機問題，顯著減少了吊機在位等待時間，目前在承包項目建造中得到了充分的應用。

1 分析原理

導管架式平臺是海洋石油平臺的結構類型之一，導管架由桿件組成，其主要結構焊縫是熔透焊，其焊縫面積就是各種直徑大小、壁厚不同的圓環面積，焊接量百分比的大小對應著相應的圓環面積的大小，這樣焊接量評估就轉換成評估壁厚減薄后的圓管強度是否滿足要求。

對于空間桿件而言，桿件兩端結點都具有6個自由度，得到桿端結點6個內力及內力矩分量（Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz），就可以計算出桿端6個應力分量的最大值（σx,σy,σz,τx,τy,τz），其中軸向應力σx=f（Fx），彎曲正應力σy=f（My），彎曲正應力σz=f（Mz），扭轉應力τx=f（Mx），剪應力τy=f（Fy），剪應力τz=f（Fz）。基于第四強度理論，當等效應力達到材料的屈服極限時，材料就開始進入塑性狀態，用主應力表達則為

式中：σeq為等效應力；σ1、σ2、σ3分別為第一、第二、第三主應力。

按彈性力學的推論可以推導出空間任一點的非主應力表達式（推導過程略）如下：

式中：τxy、τyz、τzx分別為空間任一點的三個切應力分量。

可簡化為

根據空間桿件力學原理，τyz≈0；取最大值，，代入式（3）改寫方程如下：

當σeq÷Fb＜1時，桿件上連接點處焊縫強度滿足要求，整體結構安全，說明當前焊接量取值可行。Fb=0.75Fy，Fy為材料屈服強度，0.75為強度折減系數。

2 分析方法

為了便于研究，把在建導管架的結構分為原結構和安裝結構，原結構是指已經安裝完成的結構，安裝結構是指準備安裝的結構。

用SACS軟件將原結構和安裝結構模擬出來，對結構的邊界進行約束并施加重力載荷和環境載荷，計算后得到原結構和安裝結構的連接節點處連接桿件的內力和內力矩。

根據實際情況可以采用局部法和整體法。局部法只需要模擬出安裝結構及其連接原結構的桿件，而整體法需要完整模擬出安裝結構和原結構。

3 工程實例

以當前在建陸豐15-1鉆采平臺導管架某結構片安裝焊接量評估為例，該導管架凈重2.96萬t，是國內及亞洲當前最大、最重的超大超重型導管架，安裝海域水深281m。安裝結構重533t，安裝就位之前導管架原結構重6907t，陸豐15-1在建導管架結構如圖1所示。從整體結構上考慮，可用局部法建立SACS模型。

圖1 陸豐15-1在建導管架結構

3.1 建立模型及載荷輸入

陸豐15-1在建導管架結構SACS模型如圖2所示。節點10、06、14、09、05、13為安裝結構與原結構的連接節點。節點 201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214、215、216、217、218為連接桿件的端點，將這些端點設為固定約束。通過施加重力載荷和風載荷，經計算可得到各連接桿件的內力和內力矩。

圖2 陸豐15-1安裝結構片SACS模型

3.2 評估最低焊接量

從計算結果中提取部分連接節點處連接桿件的內力和內力矩如表1所示，評估結果如表2所示。由表2可知，15%的焊接量符合強度要求。考慮工程上的其他因素，實踐中焊接量取值最低要求不少于20%～30%。

表1 部分桿件內力和力矩

表2 部分桿件評估結果

4 結束語

綜上所述，文章提出的基于第四強度理論非主應力表達式并結合SACS軟件的最低焊接量百分比評估方法，在保證結構的安全穩定性前提下，最大限度地提高了吊機資源的有效利用率，滿足了當今對超大、超重型導管架建造技術的質量、安全、標準的要求，具有推廣與應用價值。