张华伟1，吴智恒1，张占杰2，郑 露2
（1.广东省智能制造研究所，广东 广州 510070；2.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）
摘 要：海洋平台起重机是重要的海洋工程装备。由于海洋环境工况恶劣，起重机安全事故时有发生，严重影响海洋石油生产和人员安全。结合国外海洋平台起重机设计规范，开展了热点应力法的应用研究，并应用热点应力法进行了海洋平台起重机的力学分析和寿命评估，数值模拟结果与使用记录推算疲劳寿命相一致，验证了热点应力法评估海洋平台起重机结构疲劳寿命的可行性。最后，在WinCC组态软件环境下开发了基于热点应力法的海洋平台起重机在线寿命评估系统，并应用于现役装备的安全监测，实用性较高。
关键词：海洋平台起重机；寿命评估；热点应力；数值模拟
海洋平台起重机是应用于海洋石油生产平台上，承担平台与外界所有人员、生产和生活物资交换任务的海洋工程设备，其造价高昂，是海洋石油生产活动中最重要的重型工业设备之一[1]。目前我国渤海及南海海洋平台上在服役的起重机数量超过300台，以往国内海洋平台起重机市场被欧美等少数发达国家垄断，近年该局势被逐渐改变，但自主产品在可靠性、稳定性等技术性能方面与国外产品相比仍存在较大差距。
由于海洋环境恶劣，海水腐蚀、风雪、日晒等极端气候以及载荷工况复杂、使用频率高、服役时间长都会对起重机的寿命产生不利影响，海洋平台起重机比陆地用起重机执行更加严格的设计标准。尽管如此，超龄服役、维修保养不当以及违规操作等现象仍然存在，导致安全事故时有发生。起重机事故停机后，平台生产所需的物资甚至生活用品将无法正常供给，严重影响海洋石油生产活动，为避免类似事故，尤其是结构疲劳导致的重大事故发生，有必要对海洋平台起重机的寿命评估技术进行研究，开发相应的在线寿命评估系统，结合传感器选用，实时监测关键部件的工作状态，评估薄弱环节的疲劳寿命，并最终应用于实际海洋平台起重机。
海洋平台起重机是典型的焊接结构，疲劳破坏是海洋工程结构典型的失效形式。焊接结构疲劳分析广泛采用的方法包括断裂力学法、以大量疲劳实验为基础的名义应力法[2]和热点应力法[3-4]。目前国内海洋平台起重机主要采用的设计规范是中国船级社（CCS）的《船舶与海上设施起重设备规范》和美国石油学会（API）的 《APISPEC2C-Offshore Pedestal-mounted Cranes》（APISPEC 2C-海上基座式起重机），其中，APISPEC2C对平台起重机结构疲劳设计只是提及建议采用“热点应力法”[5]，未详细介绍应用方法，而CCS规范未提及结构疲劳寿命设计方法，还有待完善。因而开展基于热点应力的海洋平台起重机薄臂管梁焊接结构疲劳寿命评估方法研究及应用。
热点应力法适用于评估板壳、管焊接结构接头处的疲劳寿命。热点应力指危险截面上危险点的应力或者最大的结构应力，不包括裂纹、切口和焊缝等引起的局部应力集中。对于焊接结构，由于焊趾部位最容易产生疲劳裂纹，所以热点通常位于焊趾部位[6]。桁架式起重机管件焊趾处热点应力主要由局部薄膜应力和弯曲应力构成，如图1所示。
图1 热点应力分解
Fig.1 Resolution of Hot-Spot Stress
式中：σs—结构应力或热点应力；σm—薄膜应力；σb—弯曲应力；t—管厚。
管件焊趾处由于结构不连续，切口应力除薄膜应力、弯曲应力外，还包括非线性应力，如图2所示。
图2 切口应力分解
Fig.2 Resolution of Notch Stress
式中：σln—切口应力；σnlp—非线性应力或者二次应力。
热点应力只考虑了线性应力，没有记及非线性应力影响，这是它与切口应力的主要区别。海洋平台起重机的桁架式结构在设计阶段由于难以精确获得焊缝几何尺寸，无法准确计算焊趾处的非线性应力幅值，因而在采用热点应力法进行寿命评估时需要采用考虑切口非线性应力峰值对疲劳寿命影响的试验热点S-N曲线[6]。
焊趾位置的热点应力主要采用两点或者三点二次线性外推方法计算或者实验测试，应变测试管件焊趾热点应力方法，如图3所示。
图3 热点应力测试方法
Fig.3 Method of Hot-Spot Stress Testing
目前工程界主要采用的热点应力外推方法主要有三种[7]，分别是：
（1）直接将距离焊趾0.5t处的应力作为热点应力；
（2）将距离焊趾0.4t和1.0t两点处的应力作参考，线性外推焊趾处应力作为热点应力；（国际焊接学会（IIW）推荐方法）
（3）将距离焊趾0.5t和1.5t两点处的应力作参考，线性外推焊趾处应力作为热点应力；（挪威船级社（DNV）推荐方法）
计算管件焊趾部位疲劳寿命相应的公式如下[8]：
式中：N—循环次数；m—S-N曲线斜率的负倒数；Δσ—应力幅；log A—S-N曲线在横轴上的截距；A—与存活率为50%的均值S-N曲线有关的参数；s—LogN的标准方差
根据疲劳累积损伤理论计算起重机结构部件的损伤度和剩余疲劳寿命，公式如下：
式中：D—累积损伤度；L—剩余疲劳寿命；T—服役时间。
为确定海洋平台起重机的结构薄弱环节，并进行寿命评估和应变传感器安装，根据起重机设计图纸建立了起重机的几何模型，如图4所示。
图4 海洋平台起重机几何模型
Fig.4 Geometry of Offshore Platform Crane
起重机吊臂及A架材料为A36和A50，材料的物理属性，如表1所示。分析软件选用ANSYS，对结构部件，吊臂采用shell181单元，钢丝绳采用LINK8，各连接轴采用梁单元beam188，建立各部件的网格模型后，起升卷筒用mpc184单元和beam181单元做简化处理。考虑驾驶室、电机和油箱的重量，在其重心位置分别施加重力载荷。用梁单元和LINK8单元建立部件之间的连接关系就形成整机有限元模型。
表1 材料物理性能参数
Tab.1 Physical Parameters of Material
材料 弹性模量（MPa） 泊松比 密度（T/mm3）A36 2.12×105 0.29 7.86×10-9 A50 2.12×105 0.31 7.87×10-9
海洋平台起重机在使用过程中，要同时承受吊物重量、自重、平台/船舶运动和环境（风载）等产生的各种组合荷载作用，以及吊物加速起升、吊臂变幅、回转和供给船运动产生的垂向和侧向冲击力。查询负载曲线，起重机不同回转半径下额定载荷均为5吨，组合工况载荷大小根据API2C规范计算，主要由2个方向载荷组合产生。
载荷1—垂直载荷：由自重、额定载荷和动态系数产生；
载荷2—水平载荷。包括：
（1）供给船运动产生的侧倾和前倾载荷；
（2）起重机基座运动以及倾斜产生的载荷；
（3）侧面和前面风载荷。
垂直和水平组合载荷计算结果，如表2所示。
表2 组合载荷计算
Tab.2 Calculation of Combined Loads
角度φ（°） 0 15 40 50 61 78垂直载荷（N） 133026 130115 129271 130600 132204 137587侧倾载荷（N） 23231 20667 18297 17882 17602 17796前倾载荷（N） 34872 29949 25267 24343 23673 23683
分别进行吊臂在起升角为 0°、15°、50°、78°等角度的起重机受力情况数值模拟，部分起升角度的整机应力云图，如图5所示。
图5 起重机整机应力云图
Fig.5 Stress Plots of Whole Machine
根据起重机整机应力云图确定起升角0°时整机应力最大，结构的薄弱部位为吊臂，针对吊臂进行疲劳寿命评估，结合起重机日常的使用记录，采用DNV推荐的距离焊趾0.5t和1.5t两点处应力外推法，分别计算起升角0°时，起吊（1～5）t时吊臂中臂节与根臂节焊缝的热点应力，部分薄弱部位的应力以及热点应力，如表3所示。
表3 薄弱部位热点应力值
Tab.3 Hot-Spot Stress Value of Weak Parts
吨位 1 2 3 4 5薄弱部位应力（MPa） 112.3 157 201.5 246.2 290.8 142 198.4 254.7 311.2 367.6热点应力（MPa） 177.8 248.3 318.9 389.6 460.2
吊臂材料为A50，查阅DNV规范建议的热点应力S-N曲线相关参数，如表4所示。根据式（5）计算该海洋平台吊机的起吊（1～5）t重物时的理论疲劳寿命，如表5所示。
表4 热点应力S-N曲线相关参数
Tab.4 Parameters of Hot-Spot S-N Curve
FAT级别 疲劳极限MPa 疲劳极限MPa 90 3.0 12.164 52.63 33.20 N≤107次循环 107次循环 108次循环m1 log A1
表5 焊缝疲劳寿命理论计算值
Tab.4 Theoretical Value of Weld Lifetime
吨位（T） 1 2 3 4 5应力值（MPa） 177.8 248.3 318.9 389.6 460.2理论循环次数 259335 95193 44971 24655 14957月均数/20年 1081 397 187 103 62
该海洋平台起重机设计寿命为20年，根据日常使用记录统计其起吊重量以（1～3）t载荷为主，每天起吊（6～10）次，月均（180～300）次。可以看出，按实际使用频率计算的寿命与热点应力法理论计算频率相一致，基于热点应力法评估的海洋平台起重机结构疲劳寿命准确度较高。该海洋平台起重机的服役时间为2002年，调研其服役记录，获得了2013年至2015年三年的工作记录，根据这3年的使用记录来推算以往15年的使用情况，如表6所示。该吊机日常使用频率约为8吊/日。
表6 起重机使用情况统计表
Tab.6 Service Record Statistic of Crane
起吊重量 1T 2T 3T 4T 5T 3年工作次数 2534 3306 1763 771 386 15年工作次数 12670 16530 8815 3855 1930
根据疲劳损伤理论，计算吊机累计损伤度：
12670/259335+16530/95193+8815/44971+3855/24655+1930/14957=0.7039
表示该平台起重机在服役的15年时间内的累积损伤度达到了0.7039。因此，按照以往的使用频率和工作强度，预估该起重机总的寿命约为15/0.7039=21.3年，吊机剩余寿命预估为6.3年。鉴于日常使用过程存在不确定性，考虑安全系数（n=1.33）的影响，该吊机剩余寿命预估为4.7年。
海洋平台起重机疲劳寿命在线评估系统由传感器、PLC及上位机构成，系统架构，如图6所示。传感器的作用是实时采集起重机吊臂，A架及基座关键部位的应力/应变，PLC的作用是采集数据和数据处理，当起重机关键部位应力值异常或者临近疲劳极限时提供预警，工控机的作用是数据存储和寿命评估，且一台工控机可以同时对多台吊机的寿命评估。
图6 寿命评估系统架构
Fig.6 System Framework of Life-Time Evaluation
采用三菱FX系列PLC和Win7 64位高性能工控机，光栅光纤应力/应变传感器，监测点总数量为10个，其中吊臂6个，A架2个，立柱2个。基于WinCC组态软件开发相应的PLC程序和上位机程序，实时应变监控和寿命评估系统界面，如图7所示。并在现有海洋平台起重机上进行系统安装、调试和实际应用。
图7 实时寿命评估系统界面
Fig.7 Interface of Online Life-Time Evaluation System
（1）探讨的热点应力法尽管主要应用于船舶、机车车辆等工程领域，但由于板壳焊接结构的相似性，这些研究方法同样适用于海洋平台起重机；（2）将距离焊趾0.5t和1.5t两点处的应力线性外推焊趾处应力作为热点应力进行海洋平台起重机疲劳寿命评估准确度较高；（3）采用热点应力法进行寿命评估时需要采用考虑切口非线性应力峰值对疲劳寿命影响的试验热点S-N曲线。（4）研究的在线寿命评估系统实用性较高，可应用于海洋平台起重机的安全监测，提升工作效率。
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Research&Application of Life-Time Evaluation on Offshore Platform Crane
ZHANGHua-wei1，WU Zhi-heng1，ZHANGZhan-jie2，ZHENGLu2
（1.Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing，Guangdong Guangzhou 510070，China；2.CNOOCEnergy Development and Equipment Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）
Abstract：Offshore platform cranes are key equipment for oceaneering.Crane safety is crucial for oil production and human safety due to the harsh environment on the offshore platform.In this paper the mechanical analysis and life-time evaluation using hot-spot stress approach are performed considering the oversea design rules for offshore platform cranes.Similar results from the numerical simulation and calculation using record service data show that the numerical simulation is reasonable for crane life-time evaluation.The online life-time evaluation system is therefore developed by WinCC software and applied to offshore platformcranesfor safety monitoring.
Key Words：Offshore Platform Crane；Life-Time Evaluation；Hot-Spot Stress；Numerical Simulation
中图分类号：TH16；TH218；TE58
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2017）12-0142-03
来稿日期：2017-06-12
基金项目：广东省科技计划项目（2014B070706025，2014A040401062，2015B010111001，2016GDASPT-0106）
作者简介：张华伟，（1979-），男，山东威海人，博士研究生，高级工程师，主要研究方向：可靠性数值模拟技术；吴智恒，（1970-），男，广西龙州人，硕士研究生，教授，主要研究方向：先进制造技术
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