導(dǎo)管架建造吊機(jī)摘鉤前的最低焊接量評(píng)估研究
——以陸豐15-1鉆采平臺(tái)導(dǎo)管架建造某結(jié)構(gòu)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(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663

3.重慶水泵廠有限責(zé)任公司，重慶 400033

導(dǎo)管架建造的基本方法是按一定的規(guī)則將整個(gè)結(jié)構(gòu)分解為多個(gè)分片和散拉筋，這些分片和散拉筋在地面上預(yù)制完成后再分別以一定的順序完成組裝。

吊機(jī)是海洋工程陸地建造過(guò)程中的核心資源，需要合理規(guī)劃，高效利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)1個(gè)1.6萬(wàn)t左右的大型導(dǎo)管架，有50個(gè)左右的結(jié)構(gòu)分片，近300個(gè)現(xiàn)場(chǎng)焊接口。按傳統(tǒng)的方法，即100%焊接量或者按經(jīng)驗(yàn)值（一般按80%）完成后才允許摘鉤撤離吊機(jī)，則吊機(jī)在位等待時(shí)間的總和是一個(gè)不小的數(shù)字。

傳統(tǒng)的方法在實(shí)踐中滿足不了大中型導(dǎo)管架建造的實(shí)際需求。對(duì)此，文章提出了一種焊接量評(píng)估方法，成功解決了吊機(jī)摘鉤的時(shí)機(jī)問(wèn)題，顯著減少了吊機(jī)在位等待時(shí)間，目前在承包項(xiàng)目建造中得到了充分的應(yīng)用。

1 分析原理

導(dǎo)管架式平臺(tái)是海洋石油平臺(tái)的結(jié)構(gòu)類型之一，導(dǎo)管架由桿件組成，其主要結(jié)構(gòu)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(huán)面積，焊接量百分比的大小對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的圓環(huán)面積的大小，這樣焊接量評(píng)估就轉(zhuǎn)換成評(píng)估壁厚減薄后的圓管強(qiáng)度是否滿足要求。

對(duì)于空間桿件而言，桿件兩端結(jié)點(diǎn)都具有6個(gè)自由度，得到桿端結(jié)點(diǎn)6個(gè)內(nèi)力及內(nèi)力矩分量（Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz），就可以計(jì)算出桿端6個(gè)應(yīng)力分量的最大值（σx,σy,σz,τx,τy,τz），其中軸向應(yīng)力σx=f（Fx），彎曲正應(yīng)力σy=f（My），彎曲正應(yīng)力σz=f（Mz），扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τx=f（Mx），剪應(yīng)力τy=f（Fy），剪應(yīng)力τz=f（Fz）。基于第四強(qiáng)度理論，當(dāng)?shù)刃?yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，材料就開(kāi)始進(jìn)入塑性狀態(tài)，用主應(yīng)力表達(dá)則為

式中：σeq為等效應(yīng)力；σ1、σ2、σ3分別為第一、第二、第三主應(yīng)力。

按彈性力學(xué)的推論可以推導(dǎo)出空間任一點(diǎn)的非主應(yīng)力表達(dá)式（推導(dǎo)過(guò)程略）如下：

式中：τxy、τyz、τzx分別為空間任一點(diǎn)的三個(gè)切應(yīng)力分量。

可簡(jiǎn)化為

根據(jù)空間桿件力學(xué)原理，τyz≈0；取最大值，，代入式（3）改寫方程如下：

當(dāng)σeq÷Fb＜1時(shí)，桿件上連接點(diǎn)處焊縫強(qiáng)度滿足要求，整體結(jié)構(gòu)安全，說(shuō)明當(dāng)前焊接量取值可行。Fb=0.75Fy，F(xiàn)y為材料屈服強(qiáng)度，0.75為強(qiáng)度折減系數(shù)。

2 分析方法

為了便于研究，把在建導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)分為原結(jié)構(gòu)和安裝結(jié)構(gòu)，原結(jié)構(gòu)是指已經(jīng)安裝完成的結(jié)構(gòu)，安裝結(jié)構(gòu)是指準(zhǔn)備安裝的結(jié)構(gòu)。

用SACS軟件將原結(jié)構(gòu)和安裝結(jié)構(gòu)模擬出來(lái)，對(duì)結(jié)構(gòu)的邊界進(jìn)行約束并施加重力載荷和環(huán)境載荷，計(jì)算后得到原結(jié)構(gòu)和安裝結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)處連接桿件的內(nèi)力和內(nèi)力矩。

根據(jù)實(shí)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(jié)構(gòu)及其連接原結(jié)構(gòu)的桿件，而整體法需要完整模擬出安裝結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)。

3 工程實(shí)例

以當(dāng)前在建陸豐15-1鉆采平臺(tái)導(dǎo)管架某結(jié)構(gòu)片安裝焊接量評(píng)估為例，該導(dǎo)管架凈重2.96萬(wàn)t，是國(guó)內(nèi)及亞洲當(dāng)前最大、最重的超大超重型導(dǎo)管架，安裝海域水深281m。安裝結(jié)構(gòu)重533t，安裝就位之前導(dǎo)管架原結(jié)構(gòu)重6907t，陸豐15-1在建導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)如圖1所示。從整體結(jié)構(gòu)上考慮，可用局部法建立SACS模型。

圖1 陸豐15-1在建導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)

3.1 建立模型及載荷輸入

陸豐15-1在建導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)SACS模型如圖2所示。節(jié)點(diǎn)10、06、14、09、05、13為安裝結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn) 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(diǎn)，將這些端點(diǎn)設(shè)為固定約束。通過(guò)施加重力載荷和風(fēng)載荷，經(jīng)計(jì)算可得到各連接桿件的內(nèi)力和內(nèi)力矩。

圖2 陸豐15-1安裝結(jié)構(gòu)片SACS模型

3.2 評(píng)估最低焊接量

從計(jì)算結(jié)果中提取部分連接節(jié)點(diǎn)處連接桿件的內(nèi)力和內(nèi)力矩如表1所示，評(píng)估結(jié)果如表2所示。由表2可知，15%的焊接量符合強(qiáng)度要求。考慮工程上的其他因素，實(shí)踐中焊接量取值最低要求不少于20%～30%。

表1 部分桿件內(nèi)力和力矩

表2 部分桿件評(píng)估結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章提出的基于第四強(qiáng)度理論非主應(yīng)力表達(dá)式并結(jié)合SACS軟件的最低焊接量百分比評(píng)估方法，在保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性前提下，最大限度地提高了吊機(jī)資源的有效利用率，滿足了當(dāng)今對(duì)超大、超重型導(dǎo)管架建造技術(shù)的質(zhì)量、安全、標(biāo)準(zhǔn)的要求，具有推廣與應(yīng)用價(jià)值。