海上平台起重机结构寿命评估技术研究与应用*

本文选自《起重运输机械》杂志，如需转载，请注明出处

作者：冯超群 蔡福海 王 欣

摘 要：对结构寿命评估技术中较主流的名义应力法和热点应力法进行了介绍，进行了初步的对比分析。基于VC软件，采用流程化和模块化设计思路，开发了海上平台起重机结构寿命评估系统，便于用户根据海上平台起重机的实际使用情况，选择不同的方法快速进行寿命评估，大大降低了对评估人员的专业知识要求。

关键词：海上平台起重机；寿命评估；名义应力法；热点应力法；评估软件

Abstract: The paper introduces the nominal stress method and hot spot stress method widely used in structural life assessment technology and provides a preliminary comparative analysis. Based on VC software, a structural life assessment system for offshore platform cranes is developed by using the process and modular design ideas for the convenience of users to select different methods to quickly carry out life assessment according to the actual use of offshore platform cranes, thus greatly reducing the professional knowledge requirements for the assessors.

Keywords: offshore platform crane; life assessment; nominal stress method; hot spot stress method; evaluation software

0 引言

海上平台起重机是海洋石油勘探生产中最重要的生产和安全设备之一[1]，相对陆地工程起重机，其作业频繁、工作环境更恶劣。因此，定期对海上平台起重机进行检修，评估结构寿命是非常有必要的。目前，国内外疲劳寿命评估标准大多只针对通用焊接结构，尚无专门针对海上平台起重机的结构疲劳评估标准。

本文基于海洋结构物与船舶结构评估标准，将其主流评估算法中的名义应力法和热点应力法进行比较，将两种方法集成于海上平台起重机结构寿命评估系统软件中，使用户能够通过简单的选择及载荷谱输入就能得到起重机各结构的疲劳评估结果，为起重机定期维保提供了数据参考。

1 方法介绍

结构疲劳强度与寿命评估方法可分为三类[2]：基于累积损伤理论的力学方法、断裂力学方法、基于信息新技术的衍生方法。根据不同评估参数与疲劳寿命的关系，可划分为如图1 所示方法。其中，名义应力法和热点应力法属于累积损伤理论的力学方法，也是海洋工程结构领域中应用最广泛的评估方法。

图1 评估方法分类

1.1 名义应力法

名义应力法是应用较为广泛的方法，它以名义应力为基本参数，每一个名义应力都有一个相应的循环次数( 即疲劳寿命) 对应，以曲线进行损伤的计算，如下所示：

式中， C 和m 是材料常数， 是应力幅，N 是循环次数。

公式（1）可对简单零构件及常见结构进行全寿命评估。各标准名义应力法评估的不同主要体现在名义应力 曲线规定及修正、焊接细节、疲劳强度等级分类等方面。本系统采用国际焊接学会( 以下简称IIW)中规定的方法根据结构材料的不同，从尺寸系数、表面质量系数、材料敏性系数等方面对 曲线进行修正。每一条 曲线均对应于一组具有相近疲劳性能的典型焊接细节，用一个疲劳等级数字代表，如图2 图3所示。

图2 板细节型疲劳强度曲线

图3 管细节型疲劳强度曲线

根据海上平台起重机结构特点，在名义应力法模块中可分别对起重机臂架、A 型架、转柱进行寿命计算。计算结果包括该载荷谱下的累积损伤、该载荷谱下的循环次数、经过该载荷谱作用后的剩余循环次数以及应用雨流计数方法得到的全局最大应力、全局最小应力、全局平均应力、全局最大应力幅。

1.2 热点应力法

热点应力法主要针对焊缝疲劳进行寿命评估，以热点应力为基本评估参数。它不需要考虑由焊缝本身引起的非线性应力峰值的影响，而且理论上可以只用一条曲线评估不同类型焊接接头的疲劳强度，避开了名义应力法的缺陷。

海上平台起重机疲劳寿命评估主要针对管接头和板接头。在管接头上应用较多的是表面线性插值外推法，本系统选取挪威船级设DNV 标准（以下简称DNV）推荐的管接头表面插值方法；板接头疲劳寿命估算时，选取IIW 推荐的两点线性外推插值方法。

图4 接头类型

根据海上平台起重机结构接头特点，在热点应力法模块中将接头分为10 种类，如图4 所示。通过选择，可对这10 种类型的接头进行疲劳寿命计算。计算结果包括该载荷谱下的累积损伤、该载荷谱下的循环次数、经过该载荷谱作用后的剩余循环次数以及应用雨流计数方法得到的全局最大应力、全局最小应力、全局平均应力、全局最大应力幅。

1.3 方法比较

名义应力法和结构应力法的比较见表1。通过比较，名义应力法适用于结构受力明确，结构处于弹性变形阶段的评估，而结构热点应力法适合单焊缝应力的计算，需要精细有限元计算，主要对焊缝进行评估。

表1 两种方法的比较

方法类别特点主要应用范围名义应力法 有大量试验曲线数据参考 结构受力明确，结构处于弹性变形阶段结构热点应力法 适合单焊缝应力的计算，需要精细有限元计算结构受力不明确，适用于焊缝强度评估，管接头焊缝应用最为广泛

2 系统实现

2.1 系统框架

系统根据寿命计算的三个方法分为三个模块，每个模块可独立运行，并且在每个模块计算中可保存计算结果数据，并可通过打开功能实现查看以往的计算项目。程序框架如图5 所示。

图5 系统框架

2.2 名义应力法界面设计

在名义应力法模块中，通过点击新建按钮可新建计算项目。用户完成结构选择、基本参数输入后即可点击计算结果按钮，程序自动进行计算，最后得到如图6 所示的计算结果数据。

图6 名义应力法

在计算完成后可分别点击S-N 曲线、载荷时间历程曲线、雨流计数二维图按钮查看相应曲线图形。如图7 图10 所示。

图7 S-N 曲线

图8 时间载荷历程曲线

图9 应力幅- 计数次数

图10 平均应力- 计数次数

2.3 热点应力法

在热点应力法模块中，通过点击新建按钮可新建计算项目。用户完成接头类型选择、基本参数输入后即可点击计算结果按钮，程序自动进行计算，最后得到如图11 所示的计算结果数据。

图11 热点应力法

在计算完成后可分别点击S-N 曲线、载荷时间历程曲线、雨流计数二维图按钮查看相应曲线图形，可参考图7 图10。

3 结 论

将目前疲劳寿命评估中较主流的基于累积损伤理论的名义应力法和热点应力法进行了集成，可方便用户根据海上平台起重机的实际使用情况，对不同的结构选择不同的方法进行寿命评估，大大缩短计算时间，及对人员专业知识的要求，对维保人员提供了数据参考。

参考文献

[1] API Spec 2C Offshore pedestal-mounted cranes[S].2012.

[2] 蔡福海，王欣，高顺德，等. 起重机结构疲劳强度与寿命评估方法分析[J]. 中国工程机械学报，2014，12(02)：146-150.

[3] HOBBACHER A.Recommendations for fatigue design ofwelded joints and component[M].IIW Joint Working GroupXIII-XV.Woodhead Publishing，2003.

[4] HOBBACHER A.The new IIW recommendations for fatigueassessment of welded joints and components-A comprehensivecode recently update[J]. International Journal of Fatigue，200，31：50-58.

[5] 黄邵军. 基于热点应力法的履带起重机臂架寿命评估[D].大连，大连理工大学，2014.

[6] 叶兵. 海上平台起重机结构评估方法[J]. 中国科技纵横，2014（11）：57-59.

[7] DNV Recommended practice DNV-RP-C203.Fatigue designof offshore steel structure[Z]，Norway：Det Norske Veritas，2006.

[8] Wang Q， Liu X， Yan Z， etal. On the mechanism of residualstresses relaxation in welded joints under cyclic loading[J].International Journal of Fatigue，105(2017)：43-59.

来源：起重运输机械