關(guān)雙會，劉娜，王東升

中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程分公司機械設(shè)備技術(shù)服務(wù)中心，天津300452

基于RBI理論的海上石油平臺桁架式吊臂起重機結(jié)構(gòu)檢測實踐

關(guān)雙會，劉娜，王東升

中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程分公司機械設(shè)備技術(shù)服務(wù)中心，天津300452

針對某海上投入使用7年的起重機，采用了RBI原理，通過采用理論計算以及海上現(xiàn)場應(yīng)力測試驗證等方法，確定了起重機結(jié)構(gòu)件強度及壽命，并據(jù)此對起重機結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行了危險等級劃分，進而提出并制訂了起重機結(jié)構(gòu)件的三年檢測計劃，在保證起重機結(jié)構(gòu)安全性的同時，降低了檢測的工作量。

海上石油平臺；起重機；結(jié)構(gòu)檢測；危險等級；檢測計劃

0 引言

中國海洋石油渤海油田某平臺起重機已使用7年。由于其工作環(huán)境的影響和使用年限的增加，起重機桿件出現(xiàn)了銹蝕等各種缺陷，造成了局部應(yīng)力的增大，從而影響其使用安全、使用性能和壽命。為保障平臺起重機的安全使用，需進行主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢測，以確定其安全性能。因此依據(jù)RBI技術(shù)方法，對該平臺起重機開展了現(xiàn)場測繪、理論計算、現(xiàn)場應(yīng)力測試、應(yīng)力壽命計算評估等系列工作。通過查閱國內(nèi)外大量的相關(guān)文獻，特別是有關(guān)起重機的API標準及規(guī)范，并在研究工作的基礎(chǔ)上，通過理論計算、現(xiàn)場實際測試、使用記錄搜集等，對該起重機進行了壽命分析和評估，給出了今后的檢測重點及檢驗計劃。理論分析主要包括依據(jù)相關(guān)標準進行載荷的計算，根據(jù)現(xiàn)場實際測繪數(shù)據(jù)進行數(shù)字化建模，進行起重機吊臂在7種角度的強度計算分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，為現(xiàn)場實際測試提供參考；現(xiàn)場實際測試是對通過理論分析得到的薄弱環(huán)節(jié)進行實地應(yīng)力測試，以得出在不同載荷下起重機各部分的實際受力，為下一步的壽命評估提供真實可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對于壽命評估，依據(jù)API規(guī)范的相關(guān)要求，使用熱點應(yīng)力，利用Miners線性累加理論對起重機進行了壽命預測[1]，評定了該起重機的剩余壽命并給出了檢測方案。

1 平臺起重機基本數(shù)據(jù)

1.1 起重機概況

該海洋平臺起重機型號為YQHG2240-20 t-16 m（25 t-10 m/5t-38 m），起重機吊臂結(jié)構(gòu)形式為桁架結(jié)構(gòu)。起重機基本設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 起重機基本設(shè)計參數(shù)

1.2 起重機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

該起重機結(jié)構(gòu)主要分為吊臂、A字架以及基座（將軍柱）三部分。其中吊臂結(jié)構(gòu)又分為頂段吊臂、中段吊臂、尾段吊臂和附加臂四部分。準確、詳細、有效的尺寸數(shù)據(jù)是進行可靠分析的基礎(chǔ)。該起重機使用年限較久，而且在服役過程中可能存在結(jié)構(gòu)構(gòu)件維修和更換零件等情況，其尺寸會發(fā)生一些變動[2]。因此，為了得到更為準確的數(shù)據(jù)，對起重機結(jié)構(gòu)進行了現(xiàn)場測繪，所測繪的總體尺寸和主要相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 起重機主體結(jié)構(gòu)尺寸測量數(shù)據(jù)

2 起重機結(jié)構(gòu)強度評估

2.1 理論分析計算結(jié)果

本次理論分析計算采用ANSYS有限元軟件。由于起重機在不同角度的額定起升載荷不同，安全起升載荷隨著起重機角度的增大而增大。起重機的角度變幅范圍是15°～82°，依據(jù)現(xiàn)場操作工況，選取15°、30°、45°、55°、65°、75°和82°共7種不同角度分別對起重機的結(jié)構(gòu)進行強度分析。經(jīng)過計算獲得的有關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同工況下的理論最大應(yīng)力值數(shù)據(jù)見表3[1]。起重機制造材料Q345D許用應(yīng)力為277 MPa，材料E36許用應(yīng)力為267 MPa，由表3可知，起重機各主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件關(guān)鍵位置的強度符合安全使用要求。

表3 不同工況下結(jié)構(gòu)構(gòu)件各位置的最大應(yīng)力值/MPa

2.2 海上平臺現(xiàn)場起重機應(yīng)力測試結(jié)果

根據(jù)ANSYS軟件分析得到的起重機結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同操作角度工況下的最大應(yīng)力值出現(xiàn)位置，對該海上平臺起重機進行了現(xiàn)場靜載工況下的應(yīng)力測試，測試結(jié)果見表4。

表4 起重機應(yīng)力值較大位置及相應(yīng)的應(yīng)力值（靜載）

現(xiàn)場應(yīng)力測試時，測量吊臂在某一個角度穩(wěn)定后的應(yīng)力值，即測量的是靜載[3]作用下各部分的應(yīng)力值，根據(jù)API2C規(guī)范要求，計算的各角度動載系數(shù)見表5。

表5 動載系數(shù)

不同角度的動載系數(shù)略有差異，變化范圍在2.15～2.22之間。出于安全考慮，將表4的應(yīng)力均乘以系數(shù)最大值（2.22），得到各位置相應(yīng)的動載應(yīng)力值。

A字架和吊臂的材料為Q345D，許用應(yīng)力為277 MPa，耳板的材料為E36，許用應(yīng)力為267MPa。起重機各部位的動載應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，滿足強度要求。

3 起重機結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估

確保起重機在在役壽命期間安全正常地運行是需重點關(guān)心的問題。海上平臺起重機工作時頻繁地起吊，加上海上惡劣的工作環(huán)境（海風、潮濕等），起重機有可能發(fā)生疲勞破壞。尤其是在應(yīng)力較大的焊接部位，往往是疲勞裂紋[4]的起源部位。在結(jié)構(gòu)強度應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進行疲勞分析，以便確定起重機的潛在危險部位以及剩余壽命，對海上平臺起重機的維修和維護具有重要的指導意義。對于起重機的疲勞采用ANSYS有限元軟件分析與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法（以現(xiàn)場測試為主，軟件分析為輔），對起重機的疲勞進行了分析。

3.1 理論分析計算結(jié)果

從起重機結(jié)構(gòu)強度計算與應(yīng)力測試結(jié)果可知，吊臂尾段根部應(yīng)力值最大，因此疲勞壽命計算選取該位置進行計算。通過應(yīng)用ANSYS軟件，建立了尾段吊臂的實體有限元模型，包括根部弦桿處的焊縫。提取強度計算下吊臂頂部四個節(jié)點的位移作為邊界條件，并施加到下吊臂的實體有限元模型上。對吊臂尾段進行有限元分析，并提取吊臂尾段熱點處距離焊趾0.5倍和1.5倍板厚處弦桿表面的應(yīng)力。對起重機吊臂尾段在起吊噸位為1、3、5、6.7、8.2 t工況下的損傷度，通過采用S-N曲線以及Miners線性累加理論進行處理，從而可以得出起重機的理論累積損傷度，見表6。

表6 疲勞累積損傷度

有限元計算得到的吊臂底部弦桿的損傷度D為0.107，這表明起重機底部弦桿在過去7年里的累積損傷度為0.107，那么吊臂底部弦桿的使用壽命為7/0.107= 65年。根據(jù)APIRP 2A規(guī)范對于疲勞計算應(yīng)該留出2倍的疲勞安全系數(shù)的要求[5]，則可得到起重機理論剩余壽命為年。

3.2 海上平臺現(xiàn)場應(yīng)力測試結(jié)果

經(jīng)對該平臺起重機負載歷史記錄的統(tǒng)計與分析，可知該起重機起重最常負載的不同噸位比例，見表7[1]，由此可統(tǒng)計出投產(chǎn)使用7年中累計起重載荷的情況，見表8。由于起重機起吊噸位為10.7～25 t時的作業(yè)次數(shù)很少，對疲勞影響較小，因此測試中予以忽略。根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)量，在現(xiàn)場測試了起吊噸位分別為1、3、5、6.7、8.2 t時的起重機相應(yīng)測點的熱點應(yīng)力，而后通過熱點應(yīng)力法和Miners線性累加理論，評估起重機的使用壽命。

表7 起重機不同負載噸位百分比

表8 起重機投產(chǎn)7年中起重噸位一頻次關(guān)系統(tǒng)計[1]

由現(xiàn)場實地測試可知，A字架底部主桿焊縫和吊臂底部弦桿焊縫焊趾處的熱點應(yīng)力較大，應(yīng)校核該處的疲勞應(yīng)力。依據(jù)API RP 2A規(guī)范，其靜載試驗結(jié)果應(yīng)乘以動載系數(shù)[5]，因此，各危險部位測點[1]熱點應(yīng)力值見表9。

根據(jù)上述各結(jié)構(gòu)構(gòu)件相應(yīng)測點的熱點應(yīng)力值，并依據(jù)疲勞計算中的線性累加理論計算結(jié)果，可得到不同部位的累計損傷度，見表10[1]。

由表10數(shù)據(jù)可以得出，A字架底部A4-3測點的疲勞損傷度最大，其值為0.167，這表示起重機在服役的7年時間里，其累積損傷度達到了0.167。因此起重機的疲勞壽命為年。根據(jù)API RP 2A對于疲勞計算應(yīng)該留出2倍的疲勞安全系數(shù)的要求[5]，起重機的剩余壽命為年。

表9 現(xiàn)場應(yīng)力測試疲勞熱點應(yīng)力值/MPa

表10 疲勞累積損傷

4 風險區(qū)域劃分與檢驗計劃

根據(jù)目前海上平臺起重機的檢驗工作要求，每年需進行一次檢驗和起重能力試驗。為了達到既不缺失檢驗也不過度檢驗的效果，依據(jù)相應(yīng)的分析結(jié)果劃分了相應(yīng)的風險區(qū)域，并據(jù)此制訂了檢驗計劃，用于指導海上平臺起重機的檢驗工作。

4.1 危險區(qū)域及風險等級劃分

從有限元計算以及現(xiàn)場實際加載測試實驗結(jié)果，得出了該起重機整體及危險部位的應(yīng)力值，依據(jù)其應(yīng)力值大小及危險程度，將其劃分為危險區(qū)域、次危險區(qū)域以及普通區(qū)域三部分，具體劃分等級如下：

（1）吊耳臂頂部弦桿與吊臂頂部板連接處的最大實測應(yīng)力值為121.3 MPa。該處的應(yīng)力最大，因此將該處定為危險區(qū)域，也即重點檢測區(qū)域。

（2）A字架底部各部分應(yīng)力值相差不大，實測應(yīng)力值最大為83.21 MPa，而且該處計算的損傷度最大，為0.167，因此將該處定為危險區(qū)域，也即重點檢測區(qū)域。

（3）吊臂底部弦桿的實測應(yīng)力值為77.15 MPa，也是疲勞和強度的危險區(qū)域，將該處定為危險區(qū)域，也即重點檢測區(qū)域。

（4）A字架頂部連接耳板的最大應(yīng)力為48.78 MPa，將該處定為次危險區(qū)域。

（5）吊臂頂部變幅鋼絲繩連接耳板的最大應(yīng)力為64.37 MPa，將該區(qū)域定為次危險區(qū)域。

（6）中下吊臂連接節(jié)和中上吊臂連接節(jié)處銷軸的應(yīng)力較大，該區(qū)域定為次危險區(qū)域。

（7）吊臂上斜拉桿、弦桿以及腹桿、弦桿的連接方式均為焊接。弦桿整體受壓，所以弦桿上的軸向應(yīng)力水平相差不多，而腹桿、斜拉桿的應(yīng)力較小，因此將該區(qū)域定為次危險區(qū)域。

（8）A字架頂部主桿與A字架頂部耳板的連接方式為插焊，頂部主桿上的最大應(yīng)力值為52.55 MPa，將該區(qū)域定為次危險區(qū)域。

（9）其余部位定義為普通區(qū)域。

4.2 疲勞風險等級的劃分原則

風險等級劃分的原則根據(jù)現(xiàn)場實測靜載應(yīng)力值劃分，實際工作過程中有可能出現(xiàn)的最大應(yīng)力應(yīng)乘以動載系數(shù)。其中高風險部位應(yīng)力值接近疲勞使用極限，為最有可能出現(xiàn)疲勞裂紋的地方；中風險處的應(yīng)力較大，也有可能出現(xiàn)疲勞裂紋。有些部位在現(xiàn)場應(yīng)力測試的過程中沒有測到，但是在歷年的檢測中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)過裂紋的部位也應(yīng)列為高風險部位。疲勞風險等級劃分的原則見表11。

表11 疲勞風險等級劃分的原則

4.3 應(yīng)力危險區(qū)域

據(jù)4.2所述的疲勞風險劃分原則，確定了該平臺起重機結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞風險區(qū)域，見表12。

表12 疲勞風險區(qū)域的劃分

4.4 近三年的檢驗計劃

依據(jù)該平臺起重機結(jié)構(gòu)構(gòu)件的理論分析與實際應(yīng)力測試結(jié)論，確定了起重機近三年的檢驗要求。原則上高風險部位每年都要進行探傷檢驗；中風險位置則每年檢測33.5%（分3年探完）；低風險位置則每年任意抽檢10%。

檢測原則是，高風險部位每年進行全面檢測；中風險部位探傷之前先進行目檢，確定是否出現(xiàn)漆面脫落、局部腐蝕、桿件彎曲、焊縫裂紋，對出現(xiàn)上述缺陷的部位必須進行檢測，對沒有出現(xiàn)上述缺陷的部位抽檢其中的33%，保證3年之內(nèi)檢測完所有的區(qū)域；低風險部位的檢測范圍和檢測間隔可以適當延長，與中風險一樣，檢測之前先進行目檢，出現(xiàn)缺陷的部位必須進行檢測，其余部位可選擇每年進行10%抽檢。依據(jù)上述相關(guān)原則，制訂了該平臺起重機結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三年檢驗計劃，分別見表13、14和15。

表13 第一年起重機結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢驗計劃

表14 第二年起重機結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢驗計劃

表15 第三年起重機結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢驗計劃

5 結(jié)束語

通過對海上平臺起重機生產(chǎn)實際情況的調(diào)查與研究，并通過理論分析與現(xiàn)場實際應(yīng)力測試檢驗，制訂了海上平臺起重機結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢驗方法與計劃，在保證起重機安全使用的前提下，減少了起重機安全檢測與評估工作的頻度與范圍，使相關(guān)海上起重機安評與檢測作業(yè)取得了節(jié)約增效的良好效果。

[1]吳铦敏，顏廷俊，王東升，等.海上平臺在役桁架式吊機疲勞壽命評估研究[J]．石油機械，2014，42（1）：66-69．

[2]張樹龍.海上平臺吊機的技術(shù)改造[J].中國設(shè)備工程，2011，（11）：41-42．

[3]陳浩，郭龍龍，趙登陽，等.海洋平臺起重機吊臂靜力及模態(tài)分析[J].石油機械，2013，41（10）：74-76．

[4]王建軍，馮明，邱太生，等.鉆井平臺吊機扒桿裂紋修復工藝[J]．焊接，2007，（11）：61-62．

[5]API RP 2A，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms -Working Stress Design[S].

Structural Testing Practice of Truss-type Boom Crane on Offshore Oil Platform Based on RBITheory

Guan Shuanghui，Liu Na，Wang Dongsheng
Machinery TechnicalService Center of CNOOC Energy Technology&Services-Oilfield Construction Engineering Co.，Tianjin 300452，China

The strengths and lives of structural components of the truss-type boom crane，which has served for seven years on an offshore platform，are determined by theoretical calculation and field stress testing and checking based on RBI theory.Accordingly，the risk degrees of the crane components are determined，and the three-year inspection plan is proposed and worked out，which can ensure safety of the crane structure and reduce inspection workload.

offshore oilplatform；crane；structuraltesting；risk degree；testing plan

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.004

關(guān)雙會（1975-），男，黑龍江寧安人，高級工程師，1999年畢業(yè)于哈爾濱工程大學船舶工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋工程設(shè)備設(shè)施運維技術(shù)研究與管理工作。

2014-04-29