張士超

(中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450)

0 引言

海洋石油平臺(tái)高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)多，容易發(fā)生各類突發(fā)情況甚至是火災(zāi)、爆炸等重大安全生產(chǎn)事故[1-2]，因此每個(gè)平臺(tái)都會(huì)配備救生艇作為救逃生工具。吊艇架是用于吊放救生艇的關(guān)鍵設(shè)備，其任務(wù)是保證救生艇和人員快速、安全地降放至水面，其在海上救逃生發(fā)揮著重要的作用[3-5]。海洋石油平臺(tái)定員多，救生艇均為大容量救生艇，載重量大，吊艇架結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)將直接影響到海洋石油平臺(tái)的救生救援。這對(duì)吊艇架結(jié)構(gòu)的承載能力提出了很大的要求，應(yīng)予以高度重視。

目前針對(duì)平臺(tái)吊艇架制定的標(biāo)準(zhǔn)較少[6-7]，此外檢驗(yàn)及評(píng)估機(jī)構(gòu)對(duì)平臺(tái)吊艇架的關(guān)注點(diǎn)多集中在釋放機(jī)構(gòu)[8-10]，對(duì)吊艇架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度關(guān)注不夠。即便涉及到吊艇架結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)也多以外觀目檢、探傷、功能試驗(yàn)等方式進(jìn)行，無法得知整體受力狀態(tài)。本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，對(duì)某海洋石油平臺(tái)吊艇架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析，確定了受力及變形情況，并依據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)件的無損探傷，同時(shí)進(jìn)行了救生艇下放的功能試驗(yàn)。為吊艇架的安全評(píng)估提供了一種新思路。

1 平臺(tái)吊艇架概況

渤海某導(dǎo)管架平臺(tái)救生艇為全封閉玻璃鋼救生艇，升降方式為電動(dòng)起艇，重力放艇。吊艇架根部以焊接方式固定在平臺(tái)甲板上，整個(gè)吊艇架伸出平臺(tái)以保證救生艇懸掛在弦外。平臺(tái)救生艇整體結(jié)構(gòu)安裝示意見圖1。

1.全封閉型救生艇；2.吊艇架；3.起艇絞車。圖1 平臺(tái)救生艇安裝示意Fig.1 Installation diagram of platform lifeboat

平臺(tái)吊艇架主要由艏艉吊臂、絞車平臺(tái)、吊艇索、限位裝置、懸掛裝置、固艇裝置、遙控放艇裝置、轉(zhuǎn)角滑車等組成。艏艉吊臂和絞車平臺(tái)組成一個(gè)剛架，是救生艇的主要承載構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)見表1。

表1 吊艇架結(jié)構(gòu)性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of davit structure

2 吊艇架有限元仿真

為得知整體結(jié)構(gòu)在多重載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)吊艇架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)及靜態(tài)有限元分析[11-12]。

2.1 靜力分析

建立吊艇架三維實(shí)體模型，建模時(shí)將吊艇架滑輪、扶梯、欄桿等附屬構(gòu)件忽略，只建立鋼架結(jié)構(gòu)模型。為研究吊艇架細(xì)部受力狀態(tài)，將局部構(gòu)造細(xì)化。網(wǎng)格單元類型設(shè)為C3D8R，有限元模型劃分共計(jì)77 859個(gè)單元，網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 吊艇架有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element of davit

吊艇架立柱下端及加強(qiáng)板與平臺(tái)焊接，設(shè)為固定約束。救生艇懸掛點(diǎn)為2個(gè)固定在吊艇架上前端的定滑輪，在此將滑輪中心與滑輪固定面進(jìn)行耦合約束，施加載荷時(shí)可簡(jiǎn)化為作用在滑輪中心向下的集中力，依據(jù)出廠要求設(shè)定為2.2倍額定工作載荷；由于起艇絞車質(zhì)量較大，不可忽略其對(duì)吊艇架承載的影響，可簡(jiǎn)化成集中載荷(1T)施加在絞車平臺(tái)預(yù)定位置；此外，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)施加重力載荷。載荷施加示意見圖3。

圖3 吊艇架載荷示意Fig.3 Load diagram of davit

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，吊艇架最小安全系數(shù)為2.5，此吊艇架材料屈服強(qiáng)度235 MPa，故容許應(yīng)力為94 MPa。由圖4可見，吊艇架最大等效應(yīng)力為70.81 MPa，小于容許應(yīng)力94 MPa，說明吊艇架結(jié)構(gòu)在承受2.2倍工作負(fù)荷下滿足強(qiáng)度要求。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)吊艇架立柱與平臺(tái)固定的加強(qiáng)板交接處，原因在于吊艇架受救生艇的負(fù)荷產(chǎn)生前傾，對(duì)靠近吊艇架與甲板約束部位產(chǎn)生了較強(qiáng)的拉應(yīng)力。吊艇架位移云圖如圖5所示。由圖5可知，吊艇架最大位移3.38 mm，出現(xiàn)在吊艇架絞車平臺(tái)前梁處，變形較小。

圖4 吊艇架應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of davit

圖5 吊艇架位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of davit

2.2 模態(tài)分析

在救生艇緊急升降工況下，會(huì)有突然下放及緊急制動(dòng)情況，此外會(huì)受到海面較強(qiáng)的橫風(fēng)作用，這些都會(huì)對(duì)吊艇架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。為分析出吊艇架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[13-15]。在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，將各桿件類型設(shè)置為B33單元類型，動(dòng)態(tài)分析模型劃分共計(jì)1 256個(gè)單元。

計(jì)算得到吊艇架前30階振動(dòng)固有頻率和振型。由于對(duì)運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用的只是前面的幾階模態(tài)，所以根據(jù)需要分析吊艇架前幾階振動(dòng)特性有實(shí)際意義。圖6給出了前4階振型，表2列出了前4階自振頻率。

通過圖6可以看出，吊艇架的振動(dòng)特點(diǎn)為：第1階振型吊艇架主要表現(xiàn)為整體的左右振動(dòng)；第2階振型吊艇架主要表現(xiàn)為整體的前后振動(dòng)；第3階振型吊艇架主要表現(xiàn)為吊艇架沿垂直方向扭轉(zhuǎn)；第4階振型吊艇架主要表現(xiàn)吊艇架的上下振動(dòng)。

圖6 吊艇架前4階振型Fig.6 First four order vibration mode of davit

表2 吊艇架前4階模態(tài)頻率Table 2 Modal frequency of the first four orders of davit

由表2可見，吊艇架結(jié)構(gòu)自振頻率較大，這是由于吊艇架剛度大導(dǎo)致。在配套及使用海洋石油平臺(tái)其他機(jī)械設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡量避免與吊艇架固有頻率相同或相近，以免發(fā)生共振對(duì)吊艇架結(jié)構(gòu)造成影響。

3 吊艇架現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

有限元分析結(jié)論可以得出吊艇架結(jié)構(gòu)受力及變形情況，但無法得知吊艇架結(jié)構(gòu)是否存在裂紋等缺陷及實(shí)際使用過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，故需現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行無損探傷及救生艇收放功能試驗(yàn)進(jìn)一步確保吊艇架安全。

3.1 無損探傷

焊縫及應(yīng)力集中部位是吊艇架結(jié)構(gòu)承載薄弱區(qū)域，因此這些位置是無損探傷的重點(diǎn)關(guān)注部位。根據(jù)有限元應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)吊艇架應(yīng)力集中桿件及關(guān)鍵焊縫進(jìn)行磁粉及超聲波探傷，見圖7所示。探傷顯示，結(jié)構(gòu)及焊縫經(jīng)100%掃查，未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷，結(jié)果判定合格。

圖7 吊艇架超聲探傷Fig.7 Ultrasonic flaw detection of davit

3.2 功能試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證在救生艇收放過程中吊艇架結(jié)構(gòu)承載力滿足要求，在平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了救生艇升降功能試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖8。試驗(yàn)方式為將空艇下放至水面，再起升至儲(chǔ)存位置，試驗(yàn)過程中吊艇架各機(jī)構(gòu)動(dòng)作靈活，無故障，吊艇架結(jié)構(gòu)未發(fā)生顯著的變形與損傷。

圖8 吊艇架功能試驗(yàn)Fig.8 Function test of davit

4 結(jié)論

1)有限元靜力分析結(jié)果表明，吊艇架結(jié)構(gòu)在2.2倍工作負(fù)荷作用下強(qiáng)度及變形均滿足要求。

2)通過模態(tài)分析可以得出，吊艇架結(jié)構(gòu)自振頻率較大。在配套及使用海洋石油平臺(tái)其他機(jī)械設(shè)備時(shí)，盡量避免與吊艇架固有頻率相同或相近，防止共振對(duì)吊艇架結(jié)構(gòu)造成影響。

3)現(xiàn)場(chǎng)無損探傷未見結(jié)構(gòu)及焊縫存在表面及內(nèi)部缺陷，功能測(cè)試表明吊艇架結(jié)構(gòu)本體及相關(guān)構(gòu)件沒有發(fā)生明顯變形及損壞。

4)本評(píng)估方法結(jié)合了有限元分析及現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)2種手段，對(duì)吊艇架結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)狀評(píng)估提供一種新的思路。

5)鑒于目前現(xiàn)場(chǎng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)吊艇架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)試工作，故未對(duì)吊艇架有限元的分析結(jié)論進(jìn)行有效驗(yàn)證。將來在條件允許情況下，可加入結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試完善吊艇架結(jié)構(gòu)的評(píng)估技術(shù)。