劉 慶，劉 健，顧永新，孫曉暉

（大連船舶重工集團(tuán)有限公司船研所，大連 116000）

按照海工國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)計(jì)算眼板及發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

劉 慶，劉 健，顧永新，孫曉暉

（大連船舶重工集團(tuán)有限公司船研所，大連 116000）

海工國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13628-4中描述了眼板的設(shè)計(jì)計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13628-4中的安全系數(shù)取值有一定的問(wèn)題。并且，本文利用計(jì)算單位分析，指出該標(biāo)準(zhǔn)有些計(jì)算公式在實(shí)踐中存在一定的問(wèn)題，建議相關(guān)設(shè)計(jì)人員謹(jǐn)慎使用。

眼板計(jì)算；焊縫計(jì)算；彎曲應(yīng)力；復(fù)合應(yīng)力

0 引言

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 13628-4:2010的英文名稱是“Petroleum and natural gas industries – Design and operation of subsea production systems:Parts 4 Subsea wellhead and tree equipment”，中文名稱為《石油和天然氣工業(yè)海底系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作 第四部分 海底井口裝置和采油樹設(shè)備》。該標(biāo)準(zhǔn)的附錄K是關(guān)于眼板的設(shè)計(jì)和計(jì)算的內(nèi)容。設(shè)計(jì)人員根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算起重眼板。詳見(jiàn)該標(biāo)準(zhǔn)的封面和附錄K。在實(shí)際應(yīng)用中，按該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算眼板會(huì)遇到一些問(wèn)題，本文詳細(xì)列出了計(jì)算過(guò)程，對(duì)遇到的問(wèn)題指出不合理之處。

1 關(guān)于設(shè)計(jì)起重眼板的安全系數(shù)

首先，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一款安全工作負(fù)荷為10噸的起重眼板。

根據(jù)SWL（安全工作負(fù)荷）=10.0t的施工圖（見(jiàn)圖1）[1]，眼板用的材料是AH36，它的屈服強(qiáng)度為：σs=355MPa。

圖1 S.W.L=10t的吊裝眼板施工圖

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13628-4:2010附錄K.3.1.2中[2]規(guī)定，只使用一個(gè)眼板，眼板僅受到垂向載荷，安全系數(shù)是5。如果使用兩個(gè)眼板不超過(guò)4個(gè)，安全系數(shù)是3。

1）先計(jì)算安全工作負(fù)荷為10噸的起重眼板，只使用一個(gè)眼板，眼板僅受到垂向載荷，安全系數(shù)是5。

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13628-4:2010附錄K中的公式K.7：FP=5×P×KLAF，式中P為SWL=10t，5為安全系數(shù)，KLAF為載荷放大系數(shù)。根據(jù)表2，小于15噸，選取KLAF=2。

表2 設(shè)計(jì)為永久安裝在水下設(shè)備上的起吊點(diǎn)

所以，F(xiàn)P=5×P×KLAF=5 ×10 ×9.8×2=980kN。

2）根據(jù)公式K.17：STO=(3×FP)/[(2×R×t－DH×t)][2]

R=80mm，DH=52mm，t=30mm，F(xiàn)P=980kN。式K.17中，3為卸扣孔的應(yīng)力集中系數(shù)，它適用于單點(diǎn)和多點(diǎn)起重。

將以上數(shù)據(jù)代入公式K17，得到下面公式：

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 13628，Sallowable=0.85×σs=0.85×355=302MPa

STO> Sallowable=302MPa

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，STO必須小于 Sallowable，所以，以上計(jì)算結(jié)果不合格。

3）分析總結(jié)

從上面的計(jì)算過(guò)程中可以看到。一個(gè)安全工作負(fù)荷為10噸的起重眼板，按照公式K.7，設(shè)計(jì)負(fù)荷FP的計(jì)算結(jié)果為100噸。然后按照公式K.17，設(shè)計(jì)負(fù)荷為300噸。對(duì)于一個(gè)10噸的起重眼板，最后按照300噸來(lái)計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中是不合理的。一個(gè)眼板在只受到垂直的拉力的情況下，按標(biāo)準(zhǔn)的要求，安全系數(shù)取30。沒(méi)有必要，也非常不合理。因?yàn)樵谘郯逶O(shè)計(jì)中，要考慮到與其相關(guān)的卸扣的安全系數(shù)、鋼絲繩的安全系數(shù)和起重機(jī)臂架安全系數(shù)[3]。在起重過(guò)程中，起重眼板（俗稱吊鼻子）、起重卸扣、鋼絲繩和起重機(jī)臂架這四個(gè)部分組成一個(gè)鏈條。在這個(gè)鏈條里存在短板效應(yīng)，在鏈條中最薄弱的地方斷了，整個(gè)起重過(guò)程就會(huì)失敗，造成嚴(yán)重后果[4,5]。眼板的安全系數(shù)再大，已經(jīng)沒(méi)有意義。鋼絲繩的安全系數(shù)一般是5，起重卸扣的安全系數(shù)是2，而眼板的安全系數(shù)卻設(shè)為30，這沒(méi)有必要。

所以，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13628-4，關(guān)于眼板的安全系數(shù)的選取在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象，建議相關(guān)設(shè)計(jì)人員謹(jǐn)慎使用。

2 關(guān)于起重眼板焊縫計(jì)算公式

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 13628-4中有公式 K.25：SB=M×y/IW。

標(biāo)準(zhǔn)中K.3.3.3.5節(jié)，有關(guān)公式K.25的敘述，摘錄原文內(nèi)容如下：

“K.3.3.3.5 Bending stress due to the horizontal component of the force

Bending stress,SB,is calculated as given in Equation(K.25):

SB=(M×y)/IW(K.25)

Where

M is the bending moment,equal to FP×SIN(α)× H

y is the dimension from neutral axis to end of weld,equal to(L+2h)/2

IWis the moment of inertia of weld,equal to 0.707h×Iu

Iuis the unit moment of inertia of weld,equal to L2/[6×(3t+ L)

h is the weld size(full penetrate),equal to 0.5t.”

以上原文的中文如下：

K.3.3.3.5由水平分力引起的彎曲應(yīng)力為：

SB=(M×y)/IW(K.25)

在公式K.25中，SB是被作為彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的。

此處：

M=FP×sin(α)×H，M為彎矩；

y=(L+2h)/2；

IW=0.707×h×Iu；

Iu=L2/[6×(3t+L)]；

h=0.5×t，h為焊喉尺寸。

在公式 K.25：SB=M×y/IW中，M=Fp×sin(α)×H表示彎矩，單位為N×mm；y=(L+2h)/2單位是mm；M×y最后計(jì)算單位是N×mm×mm。公式K.25中的分子是M×y，最后計(jì)算單位是N×mm×mm；在公式K.25中的分母是IW，IW=0.707×h×Iu，最后計(jì)算的單位是mm×mm；h的單位是mm，h=t/2，即一半的板厚；Iu=L2/[6×(3t+L)]，最后計(jì)算的單位是mm。所以，根據(jù)公式K.25的SB，其最后計(jì)算的單位是N。

而標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)SB的描述是“Bending stress,SB,is calculated as given in Equation(K.25)”，其中文翻譯為：在公式K.25中，SB是彎曲應(yīng)力，應(yīng)力的單位應(yīng)該為N/mm2。

所以，公式K.25在實(shí)際計(jì)算中有一定的問(wèn)題，建議相關(guān)設(shè)計(jì)人員謹(jǐn)慎使用。

3 總結(jié)

本文詳細(xì)記錄了根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 13628-4:2010和ISO 13628-4中的公式進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)的計(jì)算過(guò)程，在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些公式在應(yīng)用上會(huì)遇到問(wèn)題，以此經(jīng)驗(yàn)提醒相關(guān)設(shè)計(jì)人員在使用中多加核對(duì)，謹(jǐn)慎使用。

[1]林國(guó)庚等編寫.船舶體結(jié)構(gòu)與識(shí)圖[M].哈爾濱:哈爾濱船舶工程出版社,1996.

[2]ISO 13628-4 Petroleum and natural gas industries –Design and operation of subsea production systems:Parts 4 Subsea wellhead and tree equipment[S].2010.

[3]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第一卷)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2008.

[4]中國(guó)船舶工業(yè)總公司編寫.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)(總體分冊(cè))[M].國(guó)防工業(yè)出版社,1997.

[5]中國(guó)船舶工業(yè)總公司編寫.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)(舾裝分冊(cè))[M].國(guó)防工業(yè)出版社,1997.

Calculation of Padeye and Problem Found According to Offshore International Standard

Liu Qing,Liu Jian,Gu Yong-xin,Sun Xiao-hui
(Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Institute Co.,Ltd.,Dalian 116000,China)

According to ISO 13628-4,the paper describes the calculation of padeye.In the practical application,it is found that the safety factor in the ISO13628-4 has problems in selecting.In addition,by the analysis of the calculating unit,it is pointed out that some formulas have some problems in the application.It is suggested that designers should use them carefully.

calculation of padeye; calculation of welding seam; bending stress; combined stress

TE951

A

10.14141/j.31-1981.2015.06.004

劉慶（1969-），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：船舶舾裝設(shè)計(jì)。