海洋石油平台吊机筋板裂纹评估分析

张武超，张英杰，赵 伟，帅剑锋

(中海石油(中国)有限公司天津分公司辽东作业公司 天津300457)

1 某海上平台吊机筋板问题汇总

1.1 吊机筋板裂纹情况

2017—2019 年连续3 年检测人员在对某平台4 台吊机将军柱底部支撑焊接部位探伤检查时，发现4 台吊机将军柱底部不同的支撑板的焊接部位出现裂纹，其长度20～60 mm 不等，最长达250 mm。

1.2 吊机筋板其他问题

①4 台吊机中，有3 台吊机的将军柱其支撑板设有应力释放孔。

②4 台吊机中，有1 台吊机的将军柱支撑板未呈米字均匀分布，明显可见缺少1 块支撑板。

③在裂纹修复施工中，发现裂纹处熔焊填充金属存在夹渣和气孔，焊接质量不过关。

2 吊机立柱结构有限元分析

2.1 有限元分析方法

有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟[1]。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统[2]。本文采用软件为ANSAYS。

2.2 分析结果

2.2.1 通过有限元分析结果

发现4 台吊机的最大应力工况结果如下：

①A 吊270 度应力工况最大，结果分析见图1。

②B 吊270 度应力工况最大，结果分析见图2。

③C 吊0 度应力工况最大，结果分析见图3。

④D 吊90 度应力工况时最大，结果分析见图4。

根据有限元分析结果，最大应力均出现在吊机立柱筋板的顶部，最高达到了911 MPa。4 台吊机的筋板最大应力均超出了许用屈服强度并产生塑性变形，在吊机立柱往复荷载的作用下，在塑性区域及附近产生裂纹，塑性区域的位置与现场检测结果高度吻合，据此可判断吊机立柱筋板产生裂纹的主要原因是吊机立柱筋板应力超标。

图1 A吊全局应力云图(左)与筋板应力云图(右)Fig.1 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane A

图2 B吊全局应力云图(左)与筋板应力云图(右)Fig.2 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane B

图3 C吊全局应力云图(左)与筋板应力云图(右)Fig.3 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane C

图4 D吊全局应力云图(左)与筋板应力云图(右)Fig.4 Global stress nephogram (left) and stress nephogram of reinforcement plate (right) of crane D

2.2.2 对照设计详图分析结果

①B 吊机缺少一块筋板，会导致其他筋板及立柱本身应力增大，应力超标情况更加严重，见图5。

图5 详设图纸Fig.5 Detail design drawing

②CEP 电吊筋板根部无过焊孔。根据详设图纸，所有吊机立柱筋板根部均设置过焊孔，以避开吊机立柱环板焊缝，但CEP 电吊的筋板根部未设置过焊孔，导致焊缝重叠。推测此处裂纹的产生原于焊缝重叠导致的焊接缺陷以及非正常的应力集中，见图6。

2.3 评估结果

根据现场检测和有限元分析的结果，吊机立柱筋板裂纹产生的直接原因是筋板应力超标及建造缺陷，间接原因是未设置吊机立柱斜拉筋，导致吊机立柱根部弯矩偏大，虽然主结构强度满足要求，但未考虑筋板的强度。

图6 详设图纸Fig.6 Detail design drawing

综上可知当前的筋板形式无法满足吊机正常工作的强度要求，应针对筋板的应力超标情况进行优化设计，以降低筋板的应力集中问题，避免裂纹的进一步扩展伤害到吊机立柱主体。

3 吊机立柱筋板优化建议

3.1 优化方案

考虑到为吊机立柱增加斜拉筋的方案改动量较大，优化方案仅针对筋板本身进行调整，目标是降低筋板的应力集中情况，最终优化的筋板形式见图7。

以应力最高的A、B 吊机的270 度工况为例，优化后的有限元分析结果如图8。

图7 筋板优化图纸Fig.7 Optimization drawings of reinforcement plate

图8 优化后筋板应力云图Fig.8 Stress nephogram of reinforcement plate after optimization

可以看出，优化后的筋板和吊机立柱主体的强度水平均满足强度要求，筋板的最大应力出现在切弧区域，与原方案比焊缝处的应力有显著下降。

3.2 改造建议

根据有限元分析结果及现场实际情况，设计合理的筋板可以有效降低吊机立柱根部焊缝的应力集中情况，对于提高吊机立柱疲劳寿命有显著效果。建议4 台吊机的立柱筋板全部按照优化后的筋板形式进行更换，年检中的结构检测范围应扩大到吊机立柱周边结构。