海上平台起重机结构评估方法

叶兵

【摘 要】 上平台起重机近些年来问题和事故较多，其结构的可靠性非常重要，本文通过研究给出一些海上平台起重机的评估方法以确定其强度、疲劳的可靠性，并评估其使用寿命。

【关键词】 起重机 结构评估 起重机可靠性

【Abstract】 Offshore platform crane more problems and accidents in recent years.The reliability of the structure is very important.Through research，the paper proposes some offshore crane evaluation methods to determine its strength，the reliability of fatigue，and evaluate its service life.

【Key words】 Crane Structure assessment Crane reliability

1 概述

由于海上恶劣工作环境的影响，随着使用年限的增加，海上石油平台起重机杆件会出现各种缺陷，如锈蚀等。造成局部应力增大，其使用和安全性能下降，影响安全使用寿命。本文结合有关起重机API标准及规范，通过研究和理论计算、现场实际测试、使用记录搜集等，对起重机进行寿命分析和评估。理论分析主要依据相关标准进行载荷的计算、根据现场实际测绘数据进行数字化建模，进行起重机吊臂在七种角度的强度计算分析，找出薄弱环节，为现场实际实验测试提供参考；现场实际测试是利用理论分析结果得到的薄弱环节进行实地应力测试，得出在不同载荷下起重机各部分的实际受力。为寿命评估提供真实可靠地基础数据。寿命评估依据API相关要求，使用热点应力，利用Miners线性累加理论对起重机进行寿命预测，评定该起重机的剩余寿命，并给出检测方案及延寿方案。

2 结构强度分析

结构强度分析是利用ANSYS分析软件对起重机建模及分析。起重机所受载荷的计算是根据美国石油协会（API）制定的标准API Spec 2C《海上平台起重机规范》进行确定；对起重机不同角度施加最危险的载荷组合，求解起重机各个部位的应力，提取起重机的整体应力云图以及局部应力云图；结合起重机的材料，按照中国船级社标准《船舶与海上设施起重设备规范》，对起重机进行强度校核；结构疲劳寿命分析是在结构静力分析以及现场实际测试的基础上，提取应力结果，选取应力热点及对应的S-N曲线，并根据起重机历次吊重记录对起重机进行疲劳分析评估。

2.1 起重机的结构

起重机的结构主要分为吊臂、A字架以及基座三部分。起重机在服役过程中可能存在由于维修和更换零件，其尺寸会发生变动。因此，为了得到更为准确的数据，需进行现场测绘。

2.2 起重机有限元模型建立

建立有限元模型的基本步骤：（1）定义工作标题和工作文件名；（2）定义单元属性；（3）建立几何模型；（4）网格划分；（5）定义接触对。

由于起重机在不同角度的额定起升载荷不同，安全起升载荷随着起重机角度的增大而增大。利用ANSYS分析软件对起重机进行结构强度分析，不可能对起重机的每个角度进行分析，只能选取部分角度进行分析。如果选取的每个角度都满足强度要求，则认为起重机满足强度要求。起重机的变幅范围是15°～82°，依据现场工况及经验，选取角度15°、30°、45°、55°、65°、75°和82°共7中不同角度分别对起重机进行分析。所以需要建立不同角度的7个有限元模型。7个模型只是吊臂的角度不一样，为了更方便修改参数，采用ANSYS提供的参数化语言APDL进行模型的建立。

2.3 载荷计算

起重机在使用过程中，要承受自身重量、起吊载荷、环境、平台/船舶运动产生的各种载荷，以及要承受诸如起升、吊臂变幅、回转运动产生的冲击力；在船外起升时，承受起吊载荷时供给船运动产生的冲击力。各种载荷按照API Spec 2C-2004《海上平台起重机规范》（Specification for Offshore Pedestal Mounted Cranes）（以下简称API-2C）进行计算。

2.3.1 垂直设计载荷

（2）起重机倾斜（CI力）和起重机运动（CM力）产生的载荷。不管是船上起升，还是船外起升，都会因为起重机底座静态倾斜（横倾或纵倾）以及起重机底座运动而产生各种载荷，视相对于倾斜的起重机的方向而定，平台/船舶静态倾斜（横倾或侧倾）会造成前倾或侧倾情况，静态前倾会造成与水平起升状况相比吊钩位置发生静态改变的情况，通过调节起重机吊臂角度，可以使吊钩回到正确的半径和额定值。静态侧倾会造成侧载作用在吊臂的顶部，由于静态侧倾造成的吊臂顶部的侧载为：

（静态侧倾角度）

API相关规范中要求考虑的角度为0.5°，在实际评估中为全面考虑海上起重机会出现的最严重的工况以及吊机设计计算中均按2°进行校核，因此，本次评估计算中起重机倾角取为2°倾角。

（3）风载。从设计参数表中可知工作工况的稳定风速为19m/s=42.5mph，不工作工况的稳定风速为26m/s=58.2mph，阵风风速为37m/s=82.8mph，起重机必须设计成能够承受最极端的停放工况，所以停放时以阵风风速对起重机施加载荷。

根据API Spec 2C-2004中5.2的相关规定，安装在平台上的基座、主柱及其配件，就各种载荷以及就应用于垂直设计载荷和应用于垂直设计载荷产生的水平设计载荷（垂直设计载荷产生的前倾力和侧倾力）的1.5倍附加系数进行设计。进行强度校核时应该将计算应力乘以附加系数1.5，再与许用应力进行对比。

2.5 结构疲劳寿命分析

确保起重机在役寿命期间安全正常地运行是平台工作人员所关心的问题。起重机必须具备起吊规定载荷的能力，也就是必须满足强度的要求；同时起重机机工作时频繁地起吊，加上海上恶劣的工作环境（海风、潮湿等），长时间工作起重机有可能发生疲劳破坏。尤其是在应力较大的焊接部位，往往是疲劳裂纹的起源部位。在应力分析的基础上进行疲劳分析，确定起重机的潜在危险部位以及剩余寿命，对平台起重机的维修和维护具有重要的指导意义。

疲劳破坏的过程是：零部件在循环载荷作用下，在局部的最高应力处、最弱的及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳裂纹。所以，疲劳破坏经历了裂纹形成、扩展和瞬间断裂三个阶段。

对于起重机的疲劳采用软件分析与现场测试相结合的方法，以现场测试为主，软件分析为辅的方法对起重机的疲劳进行分析。

根据API-2C推荐，对起重机结构进行疲劳分析时应该考虑热点应力，用热点应力法确定在役起重机的疲劳寿命。

随着计算机硬件和软件的发展，热点应力法已在船舶与海洋工程结构设计上得到成功的应用。热点应力考虑了由结构宏观几何外形引起的应力集中，但不包含焊缝本身引起的局部应力峰值，比名义应力法和切口应力法更适合实际工程结构。

研究焊接结构的疲劳强度，需要考虑如何获得焊接部位的应力值大小及其分布。根据所采用的应力分类，目前主要有三种方法：名义应力法、热点应力法和切口应力法。名义应力法是各种疲劳设计规范中广泛使用的方法，该方法将焊接接头根据其不同的几何形式和加载方式分成很多种类型，通过疲劳试验确定每一种类型相对应的S-N曲线。但是对于复杂焊接结构，很多时候难以明确焊接接头的分类、名义应力的大小和分布位置等。严格来说名义应力不是一个具有普遍意义的疲劳控制参量，很难描述局部区域的应力状态。切口应力包括了焊接部位局部几何形状及大小等细节因素的影响，能够准确反映焊接结构疲劳损伤的实际情况。然而局部的切口应力计算对焊接部位的几何参数非常敏感，当应用于实际的工程焊接结构时有相当的难度。焊接部位的几何参数具有随机性，即使在焊接过程中有很好的控制，这些参数如焊接角度、半径及焊缝形状等都会随着焊接接头形式的变化而不同。

热点应力法目前已成为工程上最受欢迎的方法。一方面它得益于计算机硬件和有限元分析软件的大力发展，使得针对复杂焊接结构的精细应力分析成为可能；另一方面热点应力法不需要考虑由焊接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根S-N曲线评估不同类型焊接头的疲劳强度，从而避开了切口应力法和名义应力法的缺陷。

由于起重机起吊载荷的不同，起重机的疲劳属于非等幅疲劳，对于受变幅或随机载荷的设备或构件，传统上一般采用累积损伤原理原理进行计算。对于起重机的疲劳计算采用Miners线性累加理论，认为起重机循环起吊某一载荷会对起重机造成一定的损伤，起重机总的损伤度是不同循环载荷对起重机损伤的叠加。

3 现场应力测试

实验工况和测试点选取：按照API相关规范以及起重机安全负载曲线，不同角度下安全起吊载荷不同。为方便后续的计算和实验，本着校核起重机危险工作状况以及引起疲劳的日常工作起吊各不同载荷的原则，在该起重机规定的安全负载曲线范围内选取了前面理论计算所选择的七种角度和载荷。并选取如下测点：A字架底部测点，A字架顶部测点，吊臂底部耳板测点，吊臂底部弦杆测点，弦杆、支撑杆相交点测点，中、上臂节连接处测点，吊臂顶部测点，负载钢丝绳死绳端测点。

4 疲劳寿命评估

该起重机疲劳寿命评估计算理论和原则采用热点应力法以及Miners线性累加理论。所需数据及计算过程如下。

为进行该起重机的寿命计算，需统计该机器自投产以来的吊重重量和次数记录。

依据各部分热点应力值，并依据疲劳计算中的线性累加理论计算，可得到不同部分的累计损伤度。

测点的疲劳损伤度最大，其值为a，这表示起重机在服役的b年时间里，其累积损伤度达到a。因此起重机的疲劳寿命为年。根据API RP 2A对于疲劳计算应该留出2倍的疲劳安全系数，起重机的剩余寿命为年。

5 结论及对策

应用上述方法，对一些关键点进行计算分析，找出危险区、次危险区和普通区，分别采取对应措施。

对于危险区域，应该对全部焊缝进行重点检测和探伤，每年进行一次全面检测。

对于次危险区域，应该对各部分的焊缝进行部分抽检。检测之前先对所有区域进行目检，待检区域不得出现漆面脱落、局部腐蚀、大的变形以及疲劳裂纹。对出现缺陷的部位必须进行全面检查，其余部位可选择每年对焊缝的33%进行抽检，所有焊缝的检测分三年完成。

对于普通区域，其检测及探伤的范围和间隔可适当延长。可选择每年对焊缝的10%进行抽检。

海上平台起重机有些部位可能存在腐蚀，因此为防止疲劳腐蚀造成钢结构的断裂，在彻底除锈后应进行焊缝探伤与裂纹探伤。还应注意以下现象：（1）严禁超载现象的发生；（2）对起重机应力较大位置重点检查与保护；（3）细化与准确化日常起重机载荷记录；（4）定期检查起重机各部位传感器是否准确；（5）加强日常保养，定期除锈修补裂纹；（6）提高维修质量。

参考文献：

[1]美国石油协会（API），标准API Spec 2C-2004《海上平台起重机规范》.

[2]美国石油协会（API），标准API RP 2A-2008《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法--荷载和抗力系数设计法》.

[3]中国船级社，《船舶与海上设施起重设备规范》.

确保起重机在役寿命期间安全正常地运行是平台工作人员所关心的问题。起重机必须具备起吊规定载荷的能力，也就是必须满足强度的要求；同时起重机机工作时频繁地起吊，加上海上恶劣的工作环境（海风、潮湿等），长时间工作起重机有可能发生疲劳破坏。尤其是在应力较大的焊接部位，往往是疲劳裂纹的起源部位。在应力分析的基础上进行疲劳分析，确定起重机的潜在危险部位以及剩余寿命，对平台起重机的维修和维护具有重要的指导意义。

疲劳破坏的过程是：零部件在循环载荷作用下，在局部的最高应力处、最弱的及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳裂纹。所以，疲劳破坏经历了裂纹形成、扩展和瞬间断裂三个阶段。

对于起重机的疲劳采用软件分析与现场测试相结合的方法，以现场测试为主，软件分析为辅的方法对起重机的疲劳进行分析。

根据API-2C推荐，对起重机结构进行疲劳分析时应该考虑热点应力，用热点应力法确定在役起重机的疲劳寿命。

随着计算机硬件和软件的发展，热点应力法已在船舶与海洋工程结构设计上得到成功的应用。热点应力考虑了由结构宏观几何外形引起的应力集中，但不包含焊缝本身引起的局部应力峰值，比名义应力法和切口应力法更适合实际工程结构。

研究焊接结构的疲劳强度，需要考虑如何获得焊接部位的应力值大小及其分布。根据所采用的应力分类，目前主要有三种方法：名义应力法、热点应力法和切口应力法。名义应力法是各种疲劳设计规范中广泛使用的方法，该方法将焊接接头根据其不同的几何形式和加载方式分成很多种类型，通过疲劳试验确定每一种类型相对应的S-N曲线。但是对于复杂焊接结构，很多时候难以明确焊接接头的分类、名义应力的大小和分布位置等。严格来说名义应力不是一个具有普遍意义的疲劳控制参量，很难描述局部区域的应力状态。切口应力包括了焊接部位局部几何形状及大小等细节因素的影响，能够准确反映焊接结构疲劳损伤的实际情况。然而局部的切口应力计算对焊接部位的几何参数非常敏感，当应用于实际的工程焊接结构时有相当的难度。焊接部位的几何参数具有随机性，即使在焊接过程中有很好的控制，这些参数如焊接角度、半径及焊缝形状等都会随着焊接接头形式的变化而不同。

热点应力法目前已成为工程上最受欢迎的方法。一方面它得益于计算机硬件和有限元分析软件的大力发展，使得针对复杂焊接结构的精细应力分析成为可能；另一方面热点应力法不需要考虑由焊接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根S-N曲线评估不同类型焊接头的疲劳强度，从而避开了切口应力法和名义应力法的缺陷。

由于起重机起吊载荷的不同，起重机的疲劳属于非等幅疲劳，对于受变幅或随机载荷的设备或构件，传统上一般采用累积损伤原理原理进行计算。对于起重机的疲劳计算采用Miners线性累加理论，认为起重机循环起吊某一载荷会对起重机造成一定的损伤，起重机总的损伤度是不同循环载荷对起重机损伤的叠加。

3 现场应力测试

实验工况和测试点选取：按照API相关规范以及起重机安全负载曲线，不同角度下安全起吊载荷不同。为方便后续的计算和实验，本着校核起重机危险工作状况以及引起疲劳的日常工作起吊各不同载荷的原则，在该起重机规定的安全负载曲线范围内选取了前面理论计算所选择的七种角度和载荷。并选取如下测点：A字架底部测点，A字架顶部测点，吊臂底部耳板测点，吊臂底部弦杆测点，弦杆、支撑杆相交点测点，中、上臂节连接处测点，吊臂顶部测点，负载钢丝绳死绳端测点。

4 疲劳寿命评估

该起重机疲劳寿命评估计算理论和原则采用热点应力法以及Miners线性累加理论。所需数据及计算过程如下。

为进行该起重机的寿命计算，需统计该机器自投产以来的吊重重量和次数记录。

依据各部分热点应力值，并依据疲劳计算中的线性累加理论计算，可得到不同部分的累计损伤度。

测点的疲劳损伤度最大，其值为a，这表示起重机在服役的b年时间里，其累积损伤度达到a。因此起重机的疲劳寿命为年。根据API RP 2A对于疲劳计算应该留出2倍的疲劳安全系数，起重机的剩余寿命为年。

5 结论及对策

应用上述方法，对一些关键点进行计算分析，找出危险区、次危险区和普通区，分别采取对应措施。

对于危险区域，应该对全部焊缝进行重点检测和探伤，每年进行一次全面检测。

对于次危险区域，应该对各部分的焊缝进行部分抽检。检测之前先对所有区域进行目检，待检区域不得出现漆面脱落、局部腐蚀、大的变形以及疲劳裂纹。对出现缺陷的部位必须进行全面检查，其余部位可选择每年对焊缝的33%进行抽检，所有焊缝的检测分三年完成。

对于普通区域，其检测及探伤的范围和间隔可适当延长。可选择每年对焊缝的10%进行抽检。

海上平台起重机有些部位可能存在腐蚀，因此为防止疲劳腐蚀造成钢结构的断裂，在彻底除锈后应进行焊缝探伤与裂纹探伤。还应注意以下现象：（1）严禁超载现象的发生；（2）对起重机应力较大位置重点检查与保护；（3）细化与准确化日常起重机载荷记录；（4）定期检查起重机各部位传感器是否准确；（5）加强日常保养，定期除锈修补裂纹；（6）提高维修质量。

参考文献：

[1]美国石油协会（API），标准API Spec 2C-2004《海上平台起重机规范》.

[2]美国石油协会（API），标准API RP 2A-2008《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法--荷载和抗力系数设计法》.

[3]中国船级社，《船舶与海上设施起重设备规范》.

确保起重机在役寿命期间安全正常地运行是平台工作人员所关心的问题。起重机必须具备起吊规定载荷的能力，也就是必须满足强度的要求；同时起重机机工作时频繁地起吊，加上海上恶劣的工作环境（海风、潮湿等），长时间工作起重机有可能发生疲劳破坏。尤其是在应力较大的焊接部位，往往是疲劳裂纹的起源部位。在应力分析的基础上进行疲劳分析，确定起重机的潜在危险部位以及剩余寿命，对平台起重机的维修和维护具有重要的指导意义。

疲劳破坏的过程是：零部件在循环载荷作用下，在局部的最高应力处、最弱的及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳裂纹。所以，疲劳破坏经历了裂纹形成、扩展和瞬间断裂三个阶段。

对于起重机的疲劳采用软件分析与现场测试相结合的方法，以现场测试为主，软件分析为辅的方法对起重机的疲劳进行分析。

根据API-2C推荐，对起重机结构进行疲劳分析时应该考虑热点应力，用热点应力法确定在役起重机的疲劳寿命。

随着计算机硬件和软件的发展，热点应力法已在船舶与海洋工程结构设计上得到成功的应用。热点应力考虑了由结构宏观几何外形引起的应力集中，但不包含焊缝本身引起的局部应力峰值，比名义应力法和切口应力法更适合实际工程结构。

研究焊接结构的疲劳强度，需要考虑如何获得焊接部位的应力值大小及其分布。根据所采用的应力分类，目前主要有三种方法：名义应力法、热点应力法和切口应力法。名义应力法是各种疲劳设计规范中广泛使用的方法，该方法将焊接接头根据其不同的几何形式和加载方式分成很多种类型，通过疲劳试验确定每一种类型相对应的S-N曲线。但是对于复杂焊接结构，很多时候难以明确焊接接头的分类、名义应力的大小和分布位置等。严格来说名义应力不是一个具有普遍意义的疲劳控制参量，很难描述局部区域的应力状态。切口应力包括了焊接部位局部几何形状及大小等细节因素的影响，能够准确反映焊接结构疲劳损伤的实际情况。然而局部的切口应力计算对焊接部位的几何参数非常敏感，当应用于实际的工程焊接结构时有相当的难度。焊接部位的几何参数具有随机性，即使在焊接过程中有很好的控制，这些参数如焊接角度、半径及焊缝形状等都会随着焊接接头形式的变化而不同。

热点应力法目前已成为工程上最受欢迎的方法。一方面它得益于计算机硬件和有限元分析软件的大力发展，使得针对复杂焊接结构的精细应力分析成为可能；另一方面热点应力法不需要考虑由焊接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根S-N曲线评估不同类型焊接头的疲劳强度，从而避开了切口应力法和名义应力法的缺陷。

由于起重机起吊载荷的不同，起重机的疲劳属于非等幅疲劳，对于受变幅或随机载荷的设备或构件，传统上一般采用累积损伤原理原理进行计算。对于起重机的疲劳计算采用Miners线性累加理论，认为起重机循环起吊某一载荷会对起重机造成一定的损伤，起重机总的损伤度是不同循环载荷对起重机损伤的叠加。

3 现场应力测试

实验工况和测试点选取：按照API相关规范以及起重机安全负载曲线，不同角度下安全起吊载荷不同。为方便后续的计算和实验，本着校核起重机危险工作状况以及引起疲劳的日常工作起吊各不同载荷的原则，在该起重机规定的安全负载曲线范围内选取了前面理论计算所选择的七种角度和载荷。并选取如下测点：A字架底部测点，A字架顶部测点，吊臂底部耳板测点，吊臂底部弦杆测点，弦杆、支撑杆相交点测点，中、上臂节连接处测点，吊臂顶部测点，负载钢丝绳死绳端测点。

4 疲劳寿命评估

该起重机疲劳寿命评估计算理论和原则采用热点应力法以及Miners线性累加理论。所需数据及计算过程如下。

为进行该起重机的寿命计算，需统计该机器自投产以来的吊重重量和次数记录。

依据各部分热点应力值，并依据疲劳计算中的线性累加理论计算，可得到不同部分的累计损伤度。

测点的疲劳损伤度最大，其值为a，这表示起重机在服役的b年时间里，其累积损伤度达到a。因此起重机的疲劳寿命为年。根据API RP 2A对于疲劳计算应该留出2倍的疲劳安全系数，起重机的剩余寿命为年。

5 结论及对策

应用上述方法，对一些关键点进行计算分析，找出危险区、次危险区和普通区，分别采取对应措施。

对于危险区域，应该对全部焊缝进行重点检测和探伤，每年进行一次全面检测。

对于次危险区域，应该对各部分的焊缝进行部分抽检。检测之前先对所有区域进行目检，待检区域不得出现漆面脱落、局部腐蚀、大的变形以及疲劳裂纹。对出现缺陷的部位必须进行全面检查，其余部位可选择每年对焊缝的33%进行抽检，所有焊缝的检测分三年完成。

对于普通区域，其检测及探伤的范围和间隔可适当延长。可选择每年对焊缝的10%进行抽检。

海上平台起重机有些部位可能存在腐蚀，因此为防止疲劳腐蚀造成钢结构的断裂，在彻底除锈后应进行焊缝探伤与裂纹探伤。还应注意以下现象：（1）严禁超载现象的发生；（2）对起重机应力较大位置重点检查与保护；（3）细化与准确化日常起重机载荷记录；（4）定期检查起重机各部位传感器是否准确；（5）加强日常保养，定期除锈修补裂纹；（6）提高维修质量。

参考文献：

[1]美国石油协会（API），标准API Spec 2C-2004《海上平台起重机规范》.

[2]美国石油协会（API），标准API RP 2A-2008《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法--荷载和抗力系数设计法》.

[3]中国船级社，《船舶与海上设施起重设备规范》.