按照海工国际标准设计计算眼板及发现的问题

刘 庆，刘 健，顾永新，孙晓晖

（大连船舶重工集团有限公司船研所，大连 116000）

按照海工国际标准设计计算眼板及发现的问题

刘 庆，刘 健，顾永新，孙晓晖

（大连船舶重工集团有限公司船研所，大连 116000）

海工国际标准ISO 13628-4中描述了眼板的设计计算。在实际应用中，发现国际标准ISO 13628-4中的安全系数取值有一定的问题。并且，本文利用计算单位分析，指出该标准有些计算公式在实践中存在一定的问题，建议相关设计人员谨慎使用。

眼板计算；焊缝计算；弯曲应力；复合应力

0 引言

国际标准 ISO 13628-4:2010的英文名称是“Petroleum and natural gas industries – Design and operation of subsea production systems:Parts 4 Subsea wellhead and tree equipment”，中文名称为《石油和天然气工业海底系统的设计和操作 第四部分 海底井口装置和采油树设备》。该标准的附录K是关于眼板的设计和计算的内容。设计人员根据该标准计算起重眼板。详见该标准的封面和附录K。在实际应用中，按该标准计算眼板会遇到一些问题，本文详细列出了计算过程，对遇到的问题指出不合理之处。

1 关于设计起重眼板的安全系数

首先，根据该标准设计一款安全工作负荷为10吨的起重眼板。

根据SWL（安全工作负荷）=10.0t的施工图（见图1）[1]，眼板用的材料是AH36，它的屈服强度为：σs=355MPa。

图1 S.W.L=10t的吊装眼板施工图

在国际标准ISO 13628-4:2010附录K.3.1.2中[2]规定，只使用一个眼板，眼板仅受到垂向载荷，安全系数是5。如果使用两个眼板不超过4个，安全系数是3。

1）先计算安全工作负荷为10吨的起重眼板，只使用一个眼板，眼板仅受到垂向载荷，安全系数是5。

根据国际标准ISO 13628-4:2010附录K中的公式K.7：FP=5×P×KLAF，式中P为SWL=10t，5为安全系数，KLAF为载荷放大系数。根据表2，小于15吨，选取KLAF=2。

表2 设计为永久安装在水下设备上的起吊点

所以，FP=5×P×KLAF=5 ×10 ×9.8×2=980kN。

2）根据公式K.17：STO=(3×FP)/[(2×R×t－DH×t)][2]

R=80mm，DH=52mm，t=30mm，FP=980kN。式K.17中，3为卸扣孔的应力集中系数，它适用于单点和多点起重。

将以上数据代入公式K17，得到下面公式：

根据国际标准 ISO 13628，Sallowable=0.85×σs=0.85×355=302MPa

STO> Sallowable=302MPa

标准规定，STO必须小于 Sallowable，所以，以上计算结果不合格。

3）分析总结

从上面的计算过程中可以看到。一个安全工作负荷为10吨的起重眼板，按照公式K.7，设计负荷FP的计算结果为100吨。然后按照公式K.17，设计负荷为300吨。对于一个10吨的起重眼板，最后按照300吨来计算，在实际应用中是不合理的。一个眼板在只受到垂直的拉力的情况下，按标准的要求，安全系数取30。没有必要，也非常不合理。因为在眼板设计中，要考虑到与其相关的卸扣的安全系数、钢丝绳的安全系数和起重机臂架安全系数[3]。在起重过程中，起重眼板（俗称吊鼻子）、起重卸扣、钢丝绳和起重机臂架这四个部分组成一个链条。在这个链条里存在短板效应，在链条中最薄弱的地方断了，整个起重过程就会失败，造成严重后果[4,5]。眼板的安全系数再大，已经没有意义。钢丝绳的安全系数一般是5，起重卸扣的安全系数是2，而眼板的安全系数却设为30，这没有必要。

所以，根据国际标准ISO 13628-4，关于眼板的安全系数的选取在实际应用中出现不合理的现象，建议相关设计人员谨慎使用。

2 关于起重眼板焊缝计算公式

在国际标准 ISO 13628-4中有公式 K.25：SB=M×y/IW。

标准中K.3.3.3.5节，有关公式K.25的叙述，摘录原文内容如下：

“K.3.3.3.5 Bending stress due to the horizontal component of the force

Bending stress,SB,is calculated as given in Equation(K.25):

SB=(M×y)/IW(K.25)

Where

M is the bending moment,equal to FP×SIN(α)× H

y is the dimension from neutral axis to end of weld,equal to(L+2h)/2

IWis the moment of inertia of weld,equal to 0.707h×Iu

Iuis the unit moment of inertia of weld,equal to L2/[6×(3t+ L)

h is the weld size(full penetrate),equal to 0.5t.”

以上原文的中文如下：

K.3.3.3.5由水平分力引起的弯曲应力为：

SB=(M×y)/IW(K.25)

在公式K.25中，SB是被作为弯曲应力进行计算的。

此处：

M=FP×sin(α)×H，M为弯矩；

y=(L+2h)/2；

IW=0.707×h×Iu；

Iu=L2/[6×(3t+L)]；

h=0.5×t，h为焊喉尺寸。

在公式 K.25：SB=M×y/IW中，M=Fp×sin(α)×H表示弯矩，单位为N×mm；y=(L+2h)/2单位是mm；M×y最后计算单位是N×mm×mm。公式K.25中的分子是M×y，最后计算单位是N×mm×mm；在公式K.25中的分母是IW，IW=0.707×h×Iu，最后计算的单位是mm×mm；h的单位是mm，h=t/2，即一半的板厚；Iu=L2/[6×(3t+L)]，最后计算的单位是mm。所以，根据公式K.25的SB，其最后计算的单位是N。

而标准中对SB的描述是“Bending stress,SB,is calculated as given in Equation(K.25)”，其中文翻译为：在公式K.25中，SB是弯曲应力，应力的单位应该为N/mm2。

所以，公式K.25在实际计算中有一定的问题，建议相关设计人员谨慎使用。

3 总结

本文详细记录了根据国际标准 ISO 13628-4:2010和ISO 13628-4中的公式进行实际应用时的计算过程，在此过程中发现一些公式在应用上会遇到问题，以此经验提醒相关设计人员在使用中多加核对，谨慎使用。

[1]林国庚等编写.船舶体结构与识图[M].哈尔滨:哈尔滨船舶工程出版社,1996.

[2]ISO 13628-4 Petroleum and natural gas industries –Design and operation of subsea production systems:Parts 4 Subsea wellhead and tree equipment[S].2010.

[3]成大先主编.机械设计手册(第一卷)[M].化学工业出版社.2008.

[4]中国船舶工业总公司编写.船舶设计实用手册(总体分册)[M].国防工业出版社,1997.

[5]中国船舶工业总公司编写.船舶设计实用手册(舾装分册)[M].国防工业出版社,1997.

Calculation of Padeye and Problem Found According to Offshore International Standard

Liu Qing,Liu Jian,Gu Yong-xin,Sun Xiao-hui
(Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Institute Co.,Ltd.,Dalian 116000,China)

According to ISO 13628-4,the paper describes the calculation of padeye.In the practical application,it is found that the safety factor in the ISO13628-4 has problems in selecting.In addition,by the analysis of the calculating unit,it is pointed out that some formulas have some problems in the application.It is suggested that designers should use them carefully.

calculation of padeye; calculation of welding seam; bending stress; combined stress

TE951

A

10.14141/j.31-1981.2015.06.004

刘庆（1969-），男，本科，高级工程师，研究方向：船舶舾装设计。