海洋石油平台吊艇架结构安全评估*

张士超

(中海油安全技术服务有限公司，天津 300450)

0 引言

海洋石油平台高风险作业多，容易发生各类突发情况甚至是火灾、爆炸等重大安全生产事故[1-2]，因此每个平台都会配备救生艇作为救逃生工具。吊艇架是用于吊放救生艇的关键设备，其任务是保证救生艇和人员快速、安全地降放至水面，其在海上救逃生发挥着重要的作用[3-5]。海洋石油平台定员多，救生艇均为大容量救生艇，载重量大，吊艇架结构的安全状态将直接影响到海洋石油平台的救生救援。这对吊艇架结构的承载能力提出了很大的要求，应予以高度重视。

目前针对平台吊艇架制定的标准较少[6-7]，此外检验及评估机构对平台吊艇架的关注点多集中在释放机构[8-10]，对吊艇架结构强度关注不够。即便涉及到吊艇架结构检验，现场也多以外观目检、探伤、功能试验等方式进行，无法得知整体受力状态。本文从工程应用角度出发，运用ABAQUS有限元软件，对某海洋石油平台吊艇架结构进行动静态分析，确定了受力及变形情况，并依据应力分析结果进行了结构件的无损探伤，同时进行了救生艇下放的功能试验。为吊艇架的安全评估提供了一种新思路。

1 平台吊艇架概况

渤海某导管架平台救生艇为全封闭玻璃钢救生艇，升降方式为电动起艇，重力放艇。吊艇架根部以焊接方式固定在平台甲板上，整个吊艇架伸出平台以保证救生艇悬挂在弦外。平台救生艇整体结构安装示意见图1。

1.全封闭型救生艇；2.吊艇架；3.起艇绞车。图1 平台救生艇安装示意Fig.1 Installation diagram of platform lifeboat

平台吊艇架主要由艏艉吊臂、绞车平台、吊艇索、限位装置、悬挂装置、固艇装置、遥控放艇装置、转角滑车等组成。艏艉吊臂和绞车平台组成一个刚架，是救生艇的主要承载构件，其结构性能参数见表1。

表1 吊艇架结构性能参数Table 1 Performance parameters of davit structure

2 吊艇架有限元仿真

为得知整体结构在多重载荷作用下的力学响应，采用ABAQUS有限元软件对吊艇架结构进行动态及静态有限元分析[11-12]。

2.1 静力分析

建立吊艇架三维实体模型，建模时将吊艇架滑轮、扶梯、栏杆等附属构件忽略，只建立钢架结构模型。为研究吊艇架细部受力状态，将局部构造细化。网格单元类型设为C3D8R，有限元模型划分共计77 859个单元，网格划分见图2。

图2 吊艇架有限元网格Fig.2 Finite element of davit

吊艇架立柱下端及加强板与平台焊接，设为固定约束。救生艇悬挂点为2个固定在吊艇架上前端的定滑轮，在此将滑轮中心与滑轮固定面进行耦合约束，施加载荷时可简化为作用在滑轮中心向下的集中力，依据出厂要求设定为2.2倍额定工作载荷；由于起艇绞车质量较大，不可忽略其对吊艇架承载的影响，可简化成集中载荷(1T)施加在绞车平台预定位置；此外，对整个结构施加重力载荷。载荷施加示意见图3。

图3 吊艇架载荷示意Fig.3 Load diagram of davit

依据标准及设计要求，吊艇架最小安全系数为2.5，此吊艇架材料屈服强度235 MPa，故容许应力为94 MPa。由图4可见，吊艇架最大等效应力为70.81 MPa，小于容许应力94 MPa，说明吊艇架结构在承受2.2倍工作负荷下满足强度要求。最大等效应力出现吊艇架立柱与平台固定的加强板交接处，原因在于吊艇架受救生艇的负荷产生前倾，对靠近吊艇架与甲板约束部位产生了较强的拉应力。吊艇架位移云图如图5所示。由图5可知，吊艇架最大位移3.38 mm，出现在吊艇架绞车平台前梁处，变形较小。

图4 吊艇架应力云图Fig.4 Stress nephogram of davit

图5 吊艇架位移云图Fig.5 Displacement nephogram of davit

2.2 模态分析

在救生艇紧急升降工况下，会有突然下放及紧急制动情况，此外会受到海面较强的横风作用，这些都会对吊艇架结构产生剧烈振动。为分析出吊艇架结构的振动特性，可进行结构模态分析[13-15]。在进行模态分析时，将各杆件类型设置为B33单元类型，动态分析模型划分共计1 256个单元。

计算得到吊艇架前30阶振动固有频率和振型。由于对运动起主导作用的只是前面的几阶模态，所以根据需要分析吊艇架前几阶振动特性有实际意义。图6给出了前4阶振型，表2列出了前4阶自振频率。

通过图6可以看出，吊艇架的振动特点为：第1阶振型吊艇架主要表现为整体的左右振动；第2阶振型吊艇架主要表现为整体的前后振动；第3阶振型吊艇架主要表现为吊艇架沿垂直方向扭转；第4阶振型吊艇架主要表现吊艇架的上下振动。

图6 吊艇架前4阶振型Fig.6 First four order vibration mode of davit

表2 吊艇架前4阶模态频率Table 2 Modal frequency of the first four orders of davit

由表2可见，吊艇架结构自振频率较大，这是由于吊艇架刚度大导致。在配套及使用海洋石油平台其他机械设备时，应尽量避免与吊艇架固有频率相同或相近，以免发生共振对吊艇架结构造成影响。

3 吊艇架现场检验

有限元分析结论可以得出吊艇架结构受力及变形情况，但无法得知吊艇架结构是否存在裂纹等缺陷及实际使用过程中的结构响应，故需现场进行无损探伤及救生艇收放功能试验进一步确保吊艇架安全。

3.1 无损探伤

焊缝及应力集中部位是吊艇架结构承载薄弱区域，因此这些位置是无损探伤的重点关注部位。根据有限元应力分析结果，对吊艇架应力集中杆件及关键焊缝进行磁粉及超声波探伤，见图7所示。探伤显示，结构及焊缝经100%扫查，未发现可记录缺陷，结果判定合格。

图7 吊艇架超声探伤Fig.7 Ultrasonic flaw detection of davit

3.2 功能试验

为进一步验证在救生艇收放过程中吊艇架结构承载力满足要求，在平台现场进行了救生艇升降功能试验，试验现场见图8。试验方式为将空艇下放至水面，再起升至储存位置，试验过程中吊艇架各机构动作灵活，无故障，吊艇架结构未发生显著的变形与损伤。

图8 吊艇架功能试验Fig.8 Function test of davit

4 结论

1)有限元静力分析结果表明，吊艇架结构在2.2倍工作负荷作用下强度及变形均满足要求。

2)通过模态分析可以得出，吊艇架结构自振频率较大。在配套及使用海洋石油平台其他机械设备时，尽量避免与吊艇架固有频率相同或相近，防止共振对吊艇架结构造成影响。

3)现场无损探伤未见结构及焊缝存在表面及内部缺陷，功能测试表明吊艇架结构本体及相关构件没有发生明显变形及损坏。

4)本评估方法结合了有限元分析及现场检验2种手段，对吊艇架结构安全现状评估提供一种新的思路。

5)鉴于目前现场难以实现对吊艇架结构的应力测试工作，故未对吊艇架有限元的分析结论进行有效验证。将来在条件允许情况下，可加入结构应力测试完善吊艇架结构的评估技术。