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有應力釋放孔。

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，焊接質量不過關。

2 吊機立柱結構有限元分析

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 分析結果

2.2.1 通過有限元分析結果

發(fā)現(xiàn)4 臺吊機的最大應力工況結果如下：

①A 吊270 度應力工況最大，結果分析見圖1。

②B 吊270 度應力工況最大，結果分析見圖2。

③C 吊0 度應力工況最大，結果分析見圖3。

④D 吊90 度應力工況時最大，結果分析見圖4。

根據(jù)有限元分析結果，最大應力均出現(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力均超出了許用屈服強度并產生塑性變形，在吊機立柱往復荷載的作用下，在塑性區(qū)域及附近產生裂紋，塑性區(qū)域的位置與現(xiàn)場檢測結果高度吻合，據(jù)此可判斷吊機立柱筋板產生裂紋的主要原因是吊機立柱筋板應力超標。

圖1 A吊全局應力云圖(左)與筋板應力云圖(右)Fig.1 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane A

圖2 B吊全局應力云圖(左)與筋板應力云圖(右)Fig.2 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane B

圖3 C吊全局應力云圖(左)與筋板應力云圖(右)Fig.3 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane C

圖4 D吊全局應力云圖(左)與筋板應力云圖(右)Fig.4 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane D

2.2.2 對照設計詳圖分析結果

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

圖5 詳設圖紙Fig.5 Detail design drawing

②CEP 電吊筋板根部無過焊孔。根據(jù)詳設圖紙，所有吊機立柱筋板根部均設置過焊孔，以避開吊機立柱環(huán)板焊縫，但CEP 電吊的筋板根部未設置過焊孔，導致焊縫重疊。推測此處裂紋的產生原于焊縫重疊導致的焊接缺陷以及非正常的應力集中，見圖6。

2.3 評估結果

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

圖6 詳設圖紙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，應針對筋板的應力超標情況進行優(yōu)化設計，以降低筋板的應力集中問題，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整，目標是降低筋板的應力集中情況，最終優(yōu)化的筋板形式見圖7。

以應力最高的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，筋板的最大應力出現(xiàn)在切弧區(qū)域，與原方案比焊縫處的應力有顯著下降。

3.2 改造建議

根據(jù)有限元分析結果及現(xiàn)場實際情況，設計合理的筋板可以有效降低吊機立柱根部焊縫的應力集中情況，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，年檢中的結構檢測范圍應擴大到吊機立柱周邊結構。