固定式平台吊机底座加强筋板疲劳分析

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

海洋平台吊机对海上生产影响重大，吊机底座在操作工况下其根部承受较大的荷载，为了满足其强度等要求，需要在其根部设置加强筋板。吊机底座加强筋板与吊机立柱相连的位置存在应力集中问题，在长期往复荷载的作用下，该位置可能产生裂纹而发生疲劳破坏。当筋板连接部位失效后，可能导致吊机底座强度不足而发生整体破坏，因此对加强筋板的疲劳研究显得尤为重要。目前国内疲劳研究多集中在吊机结构本身和吊机底座结构，没有对吊机底座的加强筋板进行疲劳分析，本文基于规范要求以及数值分析建立一套针对吊机底座加强筋板的疲劳分析方法，可以为工程设计提供参考。

1 疲劳分析

本文以渤海某固定式平台的吊机为例，建立吊机底座和加强筋板的有限元模型，基于API-2C规范[1]计算疲劳荷载，通过有限元计算得到筋板与底座相连处的热点应力，依据DNV-RP-C203规范[2]对其进行疲劳校核。吊机模型示意图如图1所示。

图1 吊机模型示意图

1.1 疲劳荷载

API-2C[1]规定在没有有关吊机荷载预计频率和大小的情况下，吊机关键构件的设计，应在最不利的半径条件下，能承受50%的船上起升荷载及相关水平荷载至少1 000 000个循环。应力范围宜为：上述荷载产生的应力与吊臂在相同位置未装载的情况下承受荷载之间的差值。对于固定式平台而言，吊机水平荷载主要是考虑吊机底座倾斜产生的水平力，荷载值较小，为简化计算不予考虑。本文参照国外吊机厂家的常规做法，计算疲劳时考虑吊机臂旋转180°计算疲劳应力幅值。

1.2 有限元模型

计算所用吊机的主要参数见表1，吊机底座结构及筋板构造示意图如图2所示。

表1 吊机主要参数

图2 吊机底座结构示意图

吊机底座有限元计算模型如图3所示，模型选用SHELL 93单元，该单元为8节点单元，该单元相比4节点单元计算精度更高。重点区域单元网格大小取1倍筋板厚度，其余位置采用200 mm×200 mm的稀疏网格。主梁端部和管底部固接约束，管顶部建立耦合约束，荷载施加在中间的耦合节点上。材料的弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3。

图3 吊机底座有限元计算模型

1.3 热点应力计算结果

图4为吊机应力计算云图，可以看出：最大应力出现在筋板和底座立柱相连位置，该位置应力集中效应较大。有限元应力集中分析对单元类型和网格尺寸较敏感，在减小单元尺寸时，应力在不连续处会趋于无限大，因此需要根据特定的方法评估应力集中处的单元应力。根据DNV-RP-C203规范[2]，可以根据距离计算t/2和3t/2(t为筋板厚度)位置处的节点应力，插值得到计算点处的热点应力。

图4 吊机应力云图

由图4 b)可知：t/2和3t/2位置处的节点应力分别为σt/2=57.52 MPa，σ3t/2=50.10 MPa，可求得计算位置的热点应力Δσ=0.5×(3×σt/2-σ3t/2)=61.23 MPa。

1.4 疲劳校核

根据DNV-RP-C203规范[2]，S-N曲线表达式如下，图2热点应力位置的连接类型为D类。

(1)

疲劳损伤值D为

(2)

式中：n为吊机荷载实际循环次数。

计算结果显示：该位置的疲劳损伤满足要求。

2 筋板参数对疲劳热点应力的影响

本节对筋板参数进行敏感性分析，分别考虑筋板宽度、筋板厚度、筋板高度对热点应力的影响。单一参数变化对应的工况见表2。

表2 单一参数变化的计算工况

2.1 筋板宽度的影响

图5为当筋板宽度改变时计算位置热点应力的变化趋势图，可以看出：当筋板宽度增加时，热点应力逐渐增大，当筋板宽度增大到一定程度时，增幅逐渐减小。

图5 筋板宽度对热点应力的影响

2.2 筋板高度的影响

图6为当筋板高度改变时计算位置热点应力的变化趋势图，可以看出：当筋板高度增加时，热点应力逐渐减小。当高度增加到一定程度之后，热点应力降幅变缓。

图6 筋板高度对热点应力的影响

2.3 筋板厚度的影响

图7为当筋板厚度改变时计算位置热点应力的变化趋势图，可以看出：当筋板厚度增加时，热点应力略有增加。

图7 筋板厚度对热点应力的影响

3 结 论

本文基于DNV和API规范和有限元计算，建立了一套吊机底座筋板结构疲劳计算的设计方法，针对筋板参数对热点应力的影响进行了敏感性分析，结论如下：

(1)筋板和吊机立柱相连上端点位置的热点应力最大，该位置的疲劳问题应重点关注。

(2)分析了吊机底座加强筋板单一参数对热点应力的影响，筋板宽度越小，高度越高，热点应力越小，与宽度及高度相比，筋板厚度对热点应力的影响较小。

[1] American Petroleum Institute. Offshore Pedestal-Mounted Cranes: API-2C[S]. 2012.

[2] American Petroleum Institute. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design: API-RP2A-WSD [S]. 2016.