關(guān)雙會(huì)，劉娜，王東升

中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程分公司機(jī)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(tái)桁架式吊臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)實(shí)踐

關(guān)雙會(huì)，劉娜，王東升

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

針對(duì)某海上投入使用7年的起重機(jī)，采用了RBI原理，通過(guò)采用理論計(jì)算以及海上現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試驗(yàn)證等方法，確定了起重機(jī)結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度及壽命，并據(jù)此對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了危險(xiǎn)等級(jí)劃分，進(jìn)而提出并制訂了起重機(jī)結(jié)構(gòu)件的三年檢測(cè)計(jì)劃，在保證起重機(jī)結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，降低了檢測(cè)的工作量。

海上石油平臺(tái)；起重機(jī)；結(jié)構(gòu)檢測(cè)；危險(xiǎn)等級(jí)；檢測(cè)計(jì)劃

0 引言

中國(guó)海洋石油渤海油田某平臺(tái)起重機(jī)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(jī)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(tái)起重機(jī)的安全使用，需進(jìn)行主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢測(cè)，以確定其安全性能。因此依據(jù)RBI技術(shù)方法，對(duì)該平臺(tái)起重機(jī)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試、應(yīng)力壽命計(jì)算評(píng)估等系列工作。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外大量的相關(guān)文獻(xiàn)，特別是有關(guān)起重機(jī)的API標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，并在研究工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試、使用記錄搜集等，對(duì)該起重機(jī)進(jìn)行了壽命分析和評(píng)估，給出了今后的檢測(cè)重點(diǎn)及檢驗(yàn)計(jì)劃。理論分析主要包括依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行載荷的計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化建模，進(jìn)行起重機(jī)吊臂在7種角度的強(qiáng)度計(jì)算分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試提供參考；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試是對(duì)通過(guò)理論分析得到的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)地應(yīng)力測(cè)試，以得出在不同載荷下起重機(jī)各部分的實(shí)際受力，為下一步的壽命評(píng)估提供真實(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)于壽命評(píng)估，依據(jù)API規(guī)范的相關(guān)要求，使用熱點(diǎn)應(yīng)力，利用Miners線性累加理論對(duì)起重機(jī)進(jìn)行了壽命預(yù)測(cè)[1]，評(píng)定了該起重機(jī)的剩余壽命并給出了檢測(cè)方案。

1 平臺(tái)起重機(jī)基本數(shù)據(jù)

1.1 起重機(jī)概況

該海洋平臺(tái)起重機(jī)型號(hào)為YQHG2240-20 t-16 m（25 t-10 m/5t-38 m），起重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)形式為桁架結(jié)構(gòu)。起重機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 起重機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

該起重機(jī)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(zhǔn)確、詳細(xì)、有效的尺寸數(shù)據(jù)是進(jìn)行可靠分析的基礎(chǔ)。該起重機(jī)使用年限較久，而且在服役過(guò)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(huì)發(fā)生一些變動(dòng)[2]。因此，為了得到更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，所測(cè)繪的總體尺寸和主要相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)

2 起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

2.1 理論分析計(jì)算結(jié)果

本次理論分析計(jì)算采用ANSYS有限元軟件。由于起重機(jī)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(jī)角度的增大而增大。起重機(jī)的角度變幅范圍是15°～82°，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作工況，選取15°、30°、45°、55°、65°、75°和82°共7種不同角度分別對(duì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。經(jīng)過(guò)計(jì)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(jiàn)表3[1]。起重機(jī)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(jī)各主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件關(guān)鍵位置的強(qiáng)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(tái)現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

根據(jù)ANSYS軟件分析得到的起重機(jī)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(duì)該海上平臺(tái)起重機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)靜載工況下的應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

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

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試時(shí)，測(cè)量吊臂在某一個(gè)角度穩(wěn)定后的應(yīng)力值，即測(cè)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(jì)算的各角度動(dòng)載系數(shù)見(jiàn)表5。

表5 動(dòng)載系數(shù)

不同角度的動(dòng)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(dòng)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(jī)各部位的動(dòng)載應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

3 起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估

確保起重機(jī)在在役壽命期間安全正常地運(yùn)行是需重點(diǎn)關(guān)心的問(wèn)題。海上平臺(tái)起重機(jī)工作時(shí)頻繁地起吊，加上海上惡劣的工作環(huán)境（海風(fēng)、潮濕等），起重機(jī)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(qiáng)度應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞分析，以便確定起重機(jī)的潛在危險(xiǎn)部位以及剩余壽命，對(duì)海上平臺(tái)起重機(jī)的維修和維護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。對(duì)于起重機(jī)的疲勞采用ANSYS有限元軟件分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法（以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為主，軟件分析為輔），對(duì)起重機(jī)的疲勞進(jìn)行了分析。

3.1 理論分析計(jì)算結(jié)果

從起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與應(yīng)力測(cè)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(jì)算選取該位置進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)應(yīng)用ANSYS軟件，建立了尾段吊臂的實(shí)體有限元模型，包括根部弦桿處的焊縫。提取強(qiáng)度計(jì)算下吊臂頂部四個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移作為邊界條件，并施加到下吊臂的實(shí)體有限元模型上。對(duì)吊臂尾段進(jìn)行有限元分析，并提取吊臂尾段熱點(diǎn)處距離焊趾0.5倍和1.5倍板厚處弦桿表面的應(yīng)力。對(duì)起重機(jī)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(guò)采用S-N曲線以及Miners線性累加理論進(jìn)行處理，從而可以得出起重機(jī)的理論累積損傷度，見(jiàn)表6。

表6 疲勞累積損傷度

有限元計(jì)算得到的吊臂底部弦桿的損傷度D為0.107，這表明起重機(jī)底部弦桿在過(guò)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(duì)于疲勞計(jì)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(jī)理論剩余壽命為年。

3.2 海上平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

經(jīng)對(duì)該平臺(tái)起重機(jī)負(fù)載歷史記錄的統(tǒng)計(jì)與分析，可知該起重機(jī)起重最常負(fù)載的不同噸位比例，見(jiàn)表7[1]，由此可統(tǒng)計(jì)出投產(chǎn)使用7年中累計(jì)起重載荷的情況，見(jiàn)表8。由于起重機(jī)起吊噸位為10.7～25 t時(shí)的作業(yè)次數(shù)很少，對(duì)疲勞影響較小，因此測(cè)試中予以忽略。根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)量，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了起吊噸位分別為1、3、5、6.7、8.2 t時(shí)的起重機(jī)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力，而后通過(guò)熱點(diǎn)應(yīng)力法和Miners線性累加理論，評(píng)估起重機(jī)的使用壽命。

表7 起重機(jī)不同負(fù)載噸位百分比

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

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)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(diǎn)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(yàn)結(jié)果應(yīng)乘以動(dòng)載系數(shù)[5]，因此，各危險(xiǎn)部位測(cè)點(diǎn)[1]熱點(diǎn)應(yīng)力值見(jiàn)表9。

根據(jù)上述各結(jié)構(gòu)構(gòu)件相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力值，并依據(jù)疲勞計(jì)算中的線性累加理論計(jì)算結(jié)果，可得到不同部位的累計(jì)損傷度，見(jiàn)表10[1]。

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

表9 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試疲勞熱點(diǎn)應(yīng)力值/MPa

表10 疲勞累積損傷

4 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分與檢驗(yàn)計(jì)劃

根據(jù)目前海上平臺(tái)起重機(jī)的檢驗(yàn)工作要求，每年需進(jìn)行一次檢驗(yàn)和起重能力試驗(yàn)。為了達(dá)到既不缺失檢驗(yàn)也不過(guò)度檢驗(yàn)的效果，依據(jù)相應(yīng)的分析結(jié)果劃分了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，并據(jù)此制訂了檢驗(yàn)計(jì)劃，用于指導(dǎo)海上平臺(tái)起重機(jī)的檢驗(yàn)工作。

4.1 危險(xiǎn)區(qū)域及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

從有限元計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加載測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出了該起重機(jī)整體及危險(xiǎn)部位的應(yīng)力值，依據(jù)其應(yīng)力值大小及危險(xiǎn)程度，將其劃分為危險(xiǎn)區(qū)域、次危險(xiǎn)區(qū)域以及普通區(qū)域三部分，具體劃分等級(jí)如下：

（1）吊耳臂頂部弦桿與吊臂頂部板連接處的最大實(shí)測(cè)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(xiǎn)區(qū)域，也即重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域。

（2）A字架底部各部分應(yīng)力值相差不大，實(shí)測(cè)應(yīng)力值最大為83.21 MPa，而且該處計(jì)算的損傷度最大，為0.167，因此將該處定為危險(xiǎn)區(qū)域，也即重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域。

（3）吊臂底部弦桿的實(shí)測(cè)應(yīng)力值為77.15 MPa，也是疲勞和強(qiáng)度的危險(xiǎn)區(qū)域，將該處定為危險(xiǎn)區(qū)域，也即重點(diǎn)檢測(cè)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)區(qū)域。

（9）其余部位定義為普通區(qū)域。

4.2 疲勞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分原則

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分的原則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)靜載應(yīng)力值劃分，實(shí)際工作過(guò)程中有可能出現(xiàn)的最大應(yīng)力應(yīng)乘以動(dòng)載系數(shù)。其中高風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)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(chǎng)應(yīng)力測(cè)試的過(guò)程中沒(méi)有測(cè)到，但是在歷年的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)過(guò)裂紋的部位也應(yīng)列為高風(fēng)險(xiǎn)部位。疲勞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分的原則見(jiàn)表11。

表11 疲勞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分的原則

4.3 應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域

據(jù)4.2所述的疲勞風(fēng)險(xiǎn)劃分原則，確定了該平臺(tái)起重機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，見(jiàn)表12。

表12 疲勞風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的劃分

4.4 近三年的檢驗(yàn)計(jì)劃

依據(jù)該平臺(tái)起重機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的理論分析與實(shí)際應(yīng)力測(cè)試結(jié)論，確定了起重機(jī)近三年的檢驗(yàn)要求。原則上高風(fēng)險(xiǎn)部位每年都要進(jìn)行探傷檢驗(yàn)；中風(fēng)險(xiǎn)位置則每年檢測(cè)33.5%（分3年探完）；低風(fēng)險(xiǎn)位置則每年任意抽檢10%。

檢測(cè)原則是，高風(fēng)險(xiǎn)部位每年進(jìn)行全面檢測(cè)；中風(fēng)險(xiǎn)部位探傷之前先進(jìn)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(duì)出現(xiàn)上述缺陷的部位必須進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)沒(méi)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(cè)完所有的區(qū)域；低風(fēng)險(xiǎn)部位的檢測(cè)范圍和檢測(cè)間隔可以適當(dāng)延長(zhǎng)，與中風(fēng)險(xiǎn)一樣，檢測(cè)之前先進(jìn)行目檢，出現(xiàn)缺陷的部位必須進(jìn)行檢測(cè)，其余部位可選擇每年進(jìn)行10%抽檢。依據(jù)上述相關(guān)原則，制訂了該平臺(tái)起重機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三年檢驗(yàn)計(jì)劃，分別見(jiàn)表13、14和15。

表13 第一年起重機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢驗(yàn)計(jì)劃

表14 第二年起重機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢驗(yàn)計(jì)劃

表15 第三年起重機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢驗(yàn)計(jì)劃

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)海上平臺(tái)起重機(jī)生產(chǎn)實(shí)際情況的調(diào)查與研究，并通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)力測(cè)試檢驗(yàn)，制訂了海上平臺(tái)起重機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢驗(yàn)方法與計(jì)劃，在保證起重機(jī)安全使用的前提下，減少了起重機(jī)安全檢測(cè)與評(píng)估工作的頻度與范圍，使相關(guān)海上起重機(jī)安評(píng)與檢測(cè)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(tái)在役桁架式吊機(jī)疲勞壽命評(píng)估研究[J]．石油機(jī)械，2014，42（1）：66-69．

[2]張樹(shù)龍.海上平臺(tái)吊機(jī)的技術(shù)改造[J].中國(guó)設(shè)備工程，2011，（11）：41-42．

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

[4]王建軍，馮明，邱太生，等.鉆井平臺(tái)吊機(jī)扒桿裂紋修復(fù)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(huì)（1975-），男，黑龍江寧安人，高級(jí)工程師，1999年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋工程設(shè)備設(shè)施運(yùn)維技術(shù)研究與管理工作。

2014-04-29