采油平臺吊機立柱環板焊縫局部缺陷影響分析

何建波 李杰 李世杰

摘 要：文章結合某在役平臺吊機立柱環板焊縫發現局部缺陷的問題，利用三維CAD軟件建立吊機立柱及局部平臺的板殼模型，在有限元軟件中分析其應力和變形，為評估平臺吊機在當前狀況下運行的安全性提供參考。

關鍵詞：吊機立柱；焊縫缺陷；有限元分析；安全評估

中圖分類號：P756.8；X74 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）24-0177-02

某在役采油平臺在2013年的十年特檢中，發現30 t吊機立柱環板與中層甲板和生產甲板焊縫處有缺陷。考慮到吊機立柱里面存儲為柴油，修復工藝相當復雜和存在高風險性，作業方委托設計公司評估上述兩處缺陷對吊機立柱支撐結構承載能力的影響。

1 吊機立柱環板缺陷位置

根據2013年的十年特檢結果，環板焊縫的缺陷位置，分別如圖1、2所示。

2 吊機立柱及局部平臺模型的建立

根據結構專業提供的吊機立柱及相關的甲板梁結構圖紙，吊機立柱周圍的主要梁結構為3A、3B及B柱，如圖3所示，故在三維CAD軟件中建立上述3柱包含范圍內的結構模型，在焊縫存在缺陷的位置按失效連接處理，所建模型如圖4所示。

模型在有限元軟件中處理為板殼單元，賦予對應的厚度，部分單元需要進行偏置設置。劃分網格后共得到單元322 219個，節點325 946個。

模型為鋼結構，材料參數如下：彈性模量2×105 MPa；屈服強度355 MPa；泊松比0.25；密度7 850 kg/m3。

3 載荷工況及約束條件

吊機立柱受力情況參照原平臺設計SACS計算輸入值，受力情況如下：

吊機自重：470.88 kN；吊機操作重：607.12 kN；吊機立柱內柴油重：850 kN；附加彎矩：14 715 kN·m。

其中，考慮環境荷載對局部結構的影響，附加彎矩組合系數為1.1，其余荷載組合系數為1.0。同時，附加彎矩按8個方向考慮，因此組合工況有8種，即0 °、45 °、90 °135 °、180 °、225 °、270 °和315 °，分布如圖5所示。

施加上述載荷后，還需施加約束條件。由于3柱與B柱交叉位置為導管架，下部埋入海底泥床，故可認為為固定約束，即約束所又平動和轉動自由度。平臺建模時只取了局部結構，故3B柱右側、B柱下側與平臺其他結構相連的位置設置為鉸接約束，即約束所有平動自由度。

4 分析結果

根據上述條件，在Nastran中進行靜力分析，得到模型在8種工況下在應力云圖，如圖6所示。

5 結 語

從強度方面來說，材料的屈服強度為355 MPa，取安全系數1.25，則材料許用強度為284 MPa。8種工況下的計算結果見表1。

由上表可知，270°工況下最大應力值為267 MPa，在8種工況中最大，但小于材料許用強度284 MPa，故各工況條件下機立柱支撐結構強度均滿足承載要求。

海洋平臺的吊機長期處于循環動載的工況條件，海上環境潮濕且具有腐蝕性，環板處的缺陷在疲勞工況下容易發生擴展。基于上述原因，為確保吊機的安全使用，建議每3個月對缺陷位置進行一次檢測，加強對缺陷位置的監測；并建議在環板和立柱間增加臨時加強筋板，避免在維修前裂紋的擴展。

參考文獻：

[1] MSC Software. MSC Nastran Quick Reference Guide[M]. L.A.：MSC Software， 2013.

[2] API RP 2A，海上固定平臺規劃、設計和建造推薦做法[S].

[3] GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].