采油平台吊机立柱环板焊缝局部缺陷影响分析

何建波 李杰 李世杰

摘 要：文章结合某在役平台吊机立柱环板焊缝发现局部缺陷的问题，利用三维CAD软件建立吊机立柱及局部平台的板壳模型，在有限元软件中分析其应力和变形，为评估平台吊机在当前状况下运行的安全性提供参考。

关键词：吊机立柱；焊缝缺陷；有限元分析；安全评估

中图分类号：P756.8；X74 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）24-0177-02

某在役采油平台在2013年的十年特检中，发现30 t吊机立柱环板与中层甲板和生产甲板焊缝处有缺陷。考虑到吊机立柱里面存储为柴油，修复工艺相当复杂和存在高风险性，作业方委托设计公司评估上述两处缺陷对吊机立柱支撑结构承载能力的影响。

1 吊机立柱环板缺陷位置

根据2013年的十年特检结果，环板焊缝的缺陷位置，分别如图1、2所示。

2 吊机立柱及局部平台模型的建立

根据结构专业提供的吊机立柱及相关的甲板梁结构图纸，吊机立柱周围的主要梁结构为3A、3B及B柱，如图3所示，故在三维CAD软件中建立上述3柱包含范围内的结构模型，在焊缝存在缺陷的位置按失效连接处理，所建模型如图4所示。

模型在有限元软件中处理为板壳单元，赋予对应的厚度，部分单元需要进行偏置设置。划分网格后共得到单元322 219个，节点325 946个。

模型为钢结构，材料参数如下：弹性模量2×105 MPa；屈服强度355 MPa；泊松比0.25；密度7 850 kg/m3。

3 载荷工况及约束条件

吊机立柱受力情况参照原平台设计SACS计算输入值，受力情况如下：

吊机自重：470.88 kN；吊机操作重：607.12 kN；吊机立柱内柴油重：850 kN；附加弯矩：14 715 kN·m。

其中，考虑环境荷载对局部结构的影响，附加弯矩组合系数为1.1，其余荷载组合系数为1.0。同时，附加弯矩按8个方向考虑，因此组合工况有8种，即0 °、45 °、90 °135 °、180 °、225 °、270 °和315 °，分布如图5所示。

施加上述载荷后，还需施加约束条件。由于3柱与B柱交叉位置为导管架，下部埋入海底泥床，故可认为为固定约束，即约束所又平动和转动自由度。平台建模时只取了局部结构，故3B柱右侧、B柱下侧与平台其他结构相连的位置设置为铰接约束，即约束所有平动自由度。

4 分析结果

根据上述条件，在Nastran中进行静力分析，得到模型在8种工况下在应力云图，如图6所示。

5 结 语

从强度方面来说，材料的屈服强度为355 MPa，取安全系数1.25，则材料许用强度为284 MPa。8种工况下的计算结果见表1。

由上表可知，270°工况下最大应力值为267 MPa，在8种工况中最大，但小于材料许用强度284 MPa，故各工况条件下机立柱支撑结构强度均满足承载要求。

海洋平台的吊机长期处于循环动载的工况条件，海上环境潮湿且具有腐蚀性，环板处的缺陷在疲劳工况下容易发生扩展。基于上述原因，为确保吊机的安全使用，建议每3个月对缺陷位置进行一次检测，加强对缺陷位置的监测；并建议在环板和立柱间增加临时加强筋板，避免在维修前裂纹的扩展。

参考文献：

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

[2] API RP 2A，海上固定平台规划、设计和建造推荐做法[S].

[3] GB50017-2003，钢结构设计规范[S].