（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

某自升式平臺主要用于渤海灣海上生活支持服務。依照《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》[1]及該自升式平臺操作手冊，對其環(huán)境條件考慮正常作業(yè)狀態(tài)與風暴自存狀態(tài)，具體的環(huán)境參數(shù)見表1。

表1 自升式平臺環(huán)境參數(shù)

該自升式平臺的生活模塊坐落于船艉部原井口槽處，通過螺栓及工字鋼與主船體相連接。生活模塊質(zhì)量為420 t，長14.5 m、寬13.716 m、高12.6 m。 自升式平臺生活模塊的結(jié)構(gòu)布置見圖1，載荷方向見圖2。自升式平臺底座螺栓的材質(zhì)為2Cr13，其安裝方式見圖3。

圖1 自升式平臺生活模塊結(jié)構(gòu)布置

圖2 自升式平臺生活模塊載荷方向

圖3 自升式平臺生活模塊底座螺栓安裝方式

在自升式平臺海上作業(yè)及塢內(nèi)維修期間，生活模塊底座螺栓均出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象，斷裂位置集中在槽鋼兩端。初步分析認為螺栓斷裂有4種可能原因：①拖輪就位工況下，船艉拖曳力導致螺栓受剪切作用斷裂。②風載荷引起螺栓受拉、受彎，導致總應力超標。③拖航時的橫向作用力、縱向作用力引起螺栓受拉、受彎，導致總應力超標。④船艉原井口槽變形，導致生活模塊定位安裝時槽鋼前后兩端的螺栓受力不均，拉應力超標。針對上述原因，筆者通過建立有限元模型，對生活模塊底座螺栓斷裂原因進行有限元直接計算分析，并提出了相應的結(jié)構(gòu)加強建議。

1 生活模塊有限元模型建立

采用MSC.Patran作為有限元建模及后處理軟件，MSC.Nastran作為解算器，對該平臺結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

根據(jù)生活模塊的結(jié)構(gòu)特點，在自升式平臺整體有限元模型的基礎(chǔ)上，采用板單元、梁單元的適當組合，將生活模塊離散為空間板、梁的組合結(jié)構(gòu)，并對生活模塊底部的槽鋼、工字鋼以及連接螺栓進行模擬。

按真實尺寸對槽鋼和工字鋼進行板單元模擬，對連接螺栓進行bar單元模擬，并采用關(guān)聯(lián)z向位移的mpc點模擬槽鋼和工字鋼的耦合。板厚和槽鋼及工字鋼的尺寸嚴格按照該平臺完工資料和測厚報告進行選取。

圖4 生活模塊底座槽鋼及工字鋼有限元模型軸側(cè)圖

圖5 生活模塊底座連接螺栓有限元模型軸側(cè)圖

2 生活模塊載荷計算及施加方式

2.1 拖曳力

根據(jù)相關(guān)拖輪參數(shù)，平臺拖航時單根托纜索的拖曳力為1 420 kN[2-4]，與船長方向成24°夾角，以節(jié)點力的方式施加于船艉（圖2a）。

2.2 風載荷

生活模塊主要承受風載荷的作用，并且將載荷傳遞給螺栓及主船體結(jié)構(gòu)，因此分析時應主要考慮風載荷對生活模塊的影響。

風載荷以面壓力的方式施加在自升式平臺生活模塊各受風面上，在0°～180°內(nèi)每隔30°計算1次風載荷。

取風暴自存狀態(tài)下的風速為51.5 m/s，依據(jù)文獻[5]，作用于構(gòu)件上的風載荷F應當按照下式進行計算：

式（1）～式（2）中，Ch為受風構(gòu)件的高度系數(shù)，可根據(jù)構(gòu)件高度選取；Cs為受風構(gòu)件的形狀系數(shù)，可根據(jù)構(gòu)件形狀選??；S為平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時受風構(gòu)件的正投影面積，m2；p為風壓，kPa；v為設計風速，m/s。

風速51.5 m/s時自升式平臺生活模塊不同風向的風載荷計算結(jié)果見表2。

表2 風速51.5 m/s時生活模塊風載荷計算結(jié)果

2.3 拖航時橫向及縱向作用力

拖航時生活模塊的橫向作用力、縱向作用力分別是橫搖力、縱搖力和對應的風作用力的疊加，依據(jù)文獻[6-7]，有：

秸稈倉庫接地干線采用熱鍍鋅扁鋼50*5埋入地下0.8米深以上，倉庫屋頂是鋼板結(jié)構(gòu)，直接利用其作為屋面接閃器，屋面不做防雷帶，直接用扁鋼引至屋頂可靠接地作為防雷裝置，現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)#1、#2料庫只有一點接地，規(guī)定為至少2點接地，站柱根部發(fā)現(xiàn)屋頂連接至接地體的扁鋼已消失，根部有斷裂痕跡，建議有登高資質(zhì)外包商進行接地扁鋼修復

式中，F(xiàn)H為拖航時生活模塊的橫向作用力或縱向作用力，F(xiàn)q為風作用力，kN；m為生活模塊質(zhì)量，kg；aH為在自升式平臺橫搖、縱搖以及升沉運動下生活模塊的水平加速度，g為重力加速度，m/s2；T為自升式平臺的搖擺周期，s；rv為生活模塊質(zhì)心距漂心的垂向距離，m；θ為自升式平臺的橫傾角或者縱傾角，取15°。

式（4）等號后第1部分為生活模塊繞漂心搖擺產(chǎn)生慣性力的水平加速度分量，第2部分為由于傾斜重力產(chǎn)生的水平加速度分量。

平臺吃水深度dz=2.134 m，生活樓高12.6 m、長14.8 m、寬18.3 m，型深4.267 m，型寬32.614 m，橫搖回轉(zhuǎn)半徑8.434 m，橫向受風面積186.48 m2、縱向受風面積230.58 m2，計算得到橫向拖航風力186.48 kN、縱向拖航風力230.58 kN。浮心縱向位置29.29 m，縱搖回轉(zhuǎn)半徑21.993 68 m，橫搖周期T=10 s，橫搖、縱搖角度均為15°，橫搖加速度3.915 119 m/s2，縱搖加速度 5.316 466 m/s2，計算得到橫搖力1 644.35 kN，縱搖力2 232.916 kN，橫向力1 874.93 kN，縱向力2 419.396 kN。

3 生活模塊底座螺栓應力計算及校核

3.1 校核標準

根據(jù)文獻[1，8-9]的要求，對承受軸向拉伸和彎曲組合作用的緊固螺栓連接，其計算應力應滿足以下要求：

式（5）～式（6）中，σa為計算軸向拉伸應力，σby為構(gòu)件關(guān)于橫截面y軸的計算彎曲應力，σbz為構(gòu)件關(guān)于橫截面z軸的計算彎曲應力，[σt]為許用拉伸/彎曲應力，σs為材料的屈服強度，MPa；S1為安全系數(shù)，取1.25。

底座螺栓材質(zhì)為合金材料2Cr13，該材料的抗剪切強度為320～400 MPa，抗拉強度為400～500 MPa，屈服強度為450 MPa。為安全起見，應力校核時選取螺栓的許用拉伸/彎曲應力[σt]=450/1.25=360（MPa）。

3.2 校核結(jié)果

進行應力計算時，依據(jù)文獻[10-13]，邊界條件取為沉墊底部鉸支，未考慮螺栓預緊力的影響。分不同工況施加拖曳力、風速51.5 m/s時的風載荷橫搖力（極限工況下的橫搖力）、縱搖力，提取各工況下底座螺栓的軸向拉伸和彎曲組合應力進行校核，結(jié)果見表3。

表3 不同計算工況載荷下生活模塊底座螺栓最大組合應力校核結(jié)果

4 生活模塊底座螺栓斷裂原因

根據(jù)應力計算及校核結(jié)果，該自升式平臺拖航時，船體受風橫傾，生活模塊所受橫向力較大，底座螺栓所受最大拉彎組合應力達415 MPa，超過許用應力360 MPa。應力較大位置出現(xiàn)在槽鋼兩端，在使用中容易產(chǎn)生疲勞斷裂[14-20]。

根據(jù)船體望光測量報告，船艉原井口槽兩端存在高度差，特別是在槽鋼兩端，高度差超過了50 mm。在螺栓預緊時，此高度差使槽鋼兩端螺栓拉應力超標，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。此外，槽鋼靠近船尾的一端只有1個連接螺栓，結(jié)構(gòu)薄弱，易發(fā)生斷裂失效。生活模塊底座連接螺栓位置見圖6，圖中數(shù)字17～27指船體橫梁編號。

圖6 生活模塊底座連接螺栓位置

5 生活模塊底座螺栓結(jié)構(gòu)加強建議

5.1 更換高強螺栓并增加螺栓數(shù)量

通過應力計算以及現(xiàn)場勘查，依據(jù)文獻[21]，建議將槽鋼兩端的螺栓更換為屈服強度不小于550 MPa的高強螺栓，并在靠近船艉一端增加1個緊固螺栓。

5.2 增加側(cè)邊板

在工字鋼和槽鋼的連接處增加側(cè)邊板 （圖7），側(cè)邊板可沿槽鋼長度方向間隔布置，槽鋼兩端要設置側(cè)邊板。有關(guān)的有限元計算表明，此種加強結(jié)構(gòu)可以顯著降低緊固螺栓的應力水平。在日常維護中，應注意加強對生活模塊下方4個角焊縫及螺栓的檢查。

圖7 增加側(cè)邊板加強結(jié)構(gòu)

5.3 增加U型槽鋼

在槽鋼兩端的螺栓連接處增加U型槽鋼，并通過高強螺栓緊固 （圖8），用于槽鋼和工字鋼之間的連接。

U型槽鋼可沿槽鋼長度方向間隔布置，但槽鋼兩端的螺栓處必須有此類加強結(jié)構(gòu)。

圖8 增加U型槽鋼加強結(jié)構(gòu)

5.4 增加L型角鋼

在槽鋼兩端的螺栓連接處增加倒扣的L型角鋼，并通過高強螺栓緊固（圖9），用于槽鋼和工字鋼的連接。

L型角鋼可沿槽鋼長度方向間隔布置，但槽鋼兩端的螺栓處必須有此類加強結(jié)構(gòu)。

圖9 增加L型角鋼加強結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語

對某自升式平臺生活模塊底座螺栓在海上作業(yè)及塢內(nèi)維修期間出現(xiàn)斷裂失效的原因進行了分析，得出了導致螺栓斷裂的2個直接原因。建議通過更換高強螺栓、增加螺栓數(shù)量對底座螺栓進行加強，并給出了3種加強結(jié)構(gòu)。在3種生活模塊底座螺栓加強結(jié)構(gòu)中，增加側(cè)邊板結(jié)構(gòu)最為方便快捷，不影響平臺海上正常作業(yè)，增加U型槽鋼和L型角鋼的加強方式均需在平臺靠泊碼頭或者進塢后，通過500 t吊機配合進行改造。