Введение Характерной особенностью перегрузки грузов грузоподъёмными кранами на стационарных морских нефтедобывающих платформах является необходимость погрузки (выгрузки) большого количества грузов с судов снабжения на платформы и обратно в условиях моря. Для нефтяного каспийского месторождения им. Ю. Корчагина волнение моря с интенсивностью до 4-х баллов может составлять по времени свыше 84 % в среднем в год. Таким образом, грузовые операции, выполняющиеся кранами при работе с судами снабжения, значительную часть времени производятся в условиях волнения, при котором судно снабжения совершает значительные вертикальные перемещения. Описание оффшорного крана Для выполнения грузовых операций в этих условиях предназначены два специальных оффшорных крана Liebherr RL 2650-70 Ex LSC г/п 70 т, спроектированные предприятием Либхер Верк Ненцинг ГмбХ (Liebherr-Werk Nenzing GmbH) в Австрии, изготовленные на заводе Либхер Сандерланд Воркс (Liebherr-Sunderland Works) в Великобритании (рис. 1). По сравнению с обычными судовыми кранами они снабжены рядом дополнительных устройств, обеспечивающих безопасное выполнение грузовых операций с судами снабжения в условиях волнения моря. В частности, механизм подъёма груза имеет специальный режим, обеспечивающий постоянное натяжение каната, связанного с грузом, установленным на палубе судна снабжения, совершающего вертикальные колебания в условиях качки. При этом исключается прослабление каната и связанные с этим динамические рывки при выборке слабины грузовых канатов. Кроме того, грузовая лебёдка крана снабжена устройством автоматической отдачи коренного конца с барабана, срабатывающего в случае, если судно снабжения с установленным на палубе грузом, связанным с краном, начнёт самопроизвольный отход от платформы под действием, например, неожиданного шквала. Аналогичный режим имеет механизм поворота крана, позволяющий выполнить свободный поворот крана в случае бокового смещения судна снабжения (в направлении поперёк стрелы) и предельные отклонения при этом грузовых канатов из плоскости стрелы. Это позволяет избежать воздействия на стрелу недопустимых боковых нагрузок. а б Рис. 1. Кран стреловой полноповоротный на колонне RL 2650-70 Ex LSC: а - конструктивная схема крана; б - общий вид крана: 1 - опорная колонна; 2 - поворотная колонна; 3 - кабина крановщика; 4 - стрела; 5 - гидроцилиндры (№ 1, 2) механизма изменения вылета стрелы крана; 6, 7 - крюковые подвески главного (6) и вспомогательного (7) подъёмов; 8 - зона сварного шва приварки опорной колонны крана (поз. 2) к оголовку барбета; 9 - барбет крана Следует отметить, что для кранов типа RL при их разработке приняты более высокие коэффициенты динамичности, обеспечивающие остаточную прочность расчётных элементов металлоконструкций (м/к) крана в целом, в зависимости от волнения моря, которые могут достигать величины 2,5÷3,0 вместо нормированного 1,33, применяемого при работе на морской платформе. Требования к кранам типа RL изложены в Спецификации для оффшорных кранов API (Спецификация 2С) [1] и в Правилах сертификации подъёмных устройств DNV (Dent Norske Veritas) [2]. Поэтому, наряду с требованиями Правил Федеральной службы по технологическому надзору [3-18] и Морского регистра судоходства РФ, учтены и дополнительные требования API и DNV [1-2]. Грузовая характеристика крана типа RL для волны 0 м и ветра рабочего состояния 25 м/с показана на рис. 2. Согласно характеристике, стреловой вылет механизма главного подъёма груза 70 т применяется от 4 до 39,6 м при угле наклона стрелы 15° и 2- либо 3-кратной запасовке грузовых канатов. Кроме того, вспомогательный подъём 6 т выполняется на вылетах 6-45 м. Рис. 2. Грузовая характеристика механизма главного подъёма Наряду с характеристиками укажем, что конструктивные решения м/к крана, правила, критерии и предписания приняты согласно Регистру Ллойда [18], а стандарты и нормы - по нормативно-технической документации DIN, ISO, IEC, EN, FEM [1-2, 19-22]. Экспертиза промышленной безопасности Причиной проведения экспертизы промышленной безопасности (ЭПБ) крана Liebherr RL 2650-70 Ex LSC г/п 70 т на каспийской платформе им. Ю. Корчагина послужило появление в элементах технологических конструкций обустройства барбетов кранов усталостных трещин. При техническом диагностировании систем кранов типа RL левого и правого борта учитывалось, что опорная колонна кранов с толщиной стенки 50 мм (см. поз. 1 на рис. 1, а) приварена многопроходным сварным швом катета 12 мм к оголовку барбета (см. поз. 8, 9 на рис. 1, а), встроенного по левому и правому бортам платформы (рис. 3). Рис. 3. Конструктивная схема барбета крана Liebherr RL 2650-70 Ex LSC Техническое диагностирование включало поиск поврежденных участков конструкции и установление всех мест повреждений как м/к кранов, так и технологических пристроек к барбетам кранов на момент осмотра. В отдельных случаях, когда визуальным осмотром наличие повреждений установлено быть не может, он дополнялся приемами и методами ультразвуковой дефектоскопии. Дефектация повреждений велась на основе нормативов, в частности [4-6, 7-9, 13-15]. В случае отсутствия норматива для данного конкретного повреждения дефектация проводилась экспертным путем с учетом причины и физического объема повреждения, вероятности и характера его дальнейшего развития, его значения для сохранности и безопасности крана и его влияния на развитие повреждений в других частях м/к или механизмах. В сложных случаях, с целью ЭПБ, кроме экспертных работ, проводился анализ результатов расчётов напряженного и деформированного состояния элементов м/к, подверженных трещинообразованию, которые были получены проектировщиком платформы ЦКБ «Коралл» (г. Севастополь). При дефектации крупных сборочных единиц барбета и надстроек, подвергшихся общим деформациям без появления трещин (искривление главных осей, скручивание), в первую очередь устанавливалось, вышли ли отклонения свыше 10 % за пределы нормативов для изделий в состоянии поставки (новых). Если повреждения не выходили за указанный предел, они относились к неопасным и исправления (ремонт) не производились, а если выходили, оценивалась возможность демонтажа, возможность перегрузки зон сочленений, перераспределение внутренних напряжений, а вопрос о допустимости деформации решался в экспертном порядке с привлечением, в необходимых случаях, внешних консультаций проектировщика. На основе вышепринятых принципов технического диагностирования в зоне левого борта платформы (рис. 4) выявлены многочисленные разрушения м/к технологических надстроек, жёстко связанных с барбетом крана. а б в г д Рис. 4. Барбет крана Liebherr RL 2650-70 Ex LSC г/п 70 т выпуска 2007 г. зав. № 170.286 на левом борту платформы: а - общий вид на барбет и опорную колонну крана: 1 - зона разрушения (рис. 4, б); 2 - точка замера отклонения барбета в продольном направлении левого борта (под сварным швом) на отметке 35 м; 3 - то же, в поперечном направлении на отметке уровня 38 м; в, г, д - общий вид трещин и выраженной деформации металла над 3-й палубой платформы Для выяснения причин образования усталостных трещин в м/к надстроек платформы (рис. 4), примыкающих и жестко связанных с барбетом крана, были проведены динамические испытания крана без груза на крюке, при этом предварительно произведены обмеры барбета крана на соответствие его чертежу проектировщика платформы. При испытаниях под нагрузкой от колебаний стрелы, выводимой из положения равновесия включением механизма изменения вылета стрелы с амплитудой 1 м, проведены замеры изгибной деформации барбета крана при работе крана в точках 2 и 3 (рис. 4, а). Относительные отклонения от выбранных базовых точек замерялись лазерным дальномером типа Leica DISTO DXT при положении стрелы вдоль борта (рис. 5, а), перпендикулярно борту (рис. 5, б на море) на максимальном и минимальном вылетах. Полученные результаты представлены на рис. 5 и 6. Направление ветра в момент замеров было с противоположного борта, т. к. кран находился в ветровой тени платформы. Скорость ветра составляла от 15 до 20 м/с. а б Рис. 5. Колебания барбета крана левого борта: а - в продольном направлении стрелы относительно борта платформы (вылет 30-39 м); б - в поперечном направлении относительно платформы (вылет max 39 м) Как следует из рис. 5, а, поворот стрелы крана на максимальном вылете приводит к деформации барбета на отметке 35 м до 50 мм в направлении продольном платформе. При минимальном вылете стрелы колебания составляют 10-15 мм. Очевидно, что при нагружении крана, согласно грузовой характеристике (см. рис. 2), эти деформации будут существенно большими. Среди особенностей необходимо отметить наличие собственных колебаний системы «кран - несущие м/к барбета» с амплитудой 10-15 мм. Из результатов замеров можно сделать вывод, что указанные деформации барбета являются основной причинной сдвиговых напряжений, вызвавших образование трещин в надстройке вдоль палубы (см. рис. 4, б). Аналогичные замеры упругих деформаций барбета в направлении стрелы перпендикулярном борту (стрела на море) показали сходный характер деформаций (см. рис. 5, б). При повороте стрелы крана отклонения барбета в этом направлении несколько меньше - 15-20 мм (в продольном - до 50 мм). Амплитуда собственных колебаний крана и несущих м/к барбета находились на прежнем уровне - 10-15 мм. Сопоставление деформаций в продольном и поперечном направлении объясняет меньшее количество трещин в поперечном направлении. Как и для барбета крана типа RL левого борта, были проведены измерения упругих деформаций барбета правого борта в точке 1 на отметке 35 м (рис. 6, а). в а г д Рис. 6. Барбет крана Liebherr RL 2650-70 Ex LSC г/п 70 т выпуска 2007 г. зав. № 170.287, рег. № 39111 по правому борту платформы: I - зоны разрушения м/к технологических надстроек, жёстко примыкающих к барбету крана: 1 - точка замера отклонения барбета в поперечном направлении правого борта на отметке уровня 35 м в режиме свободных колебаний крана без груза; а - расположение зон разрушения; б - отслоение краски по области микротрещины; в, г - трещины на уровне верхней (3-й) палубы; д - диагональная трещина по верху дверного проёма надстройки Относительные отклонения от выбранной базовой точки замерялись при положении стрелы вдоль борта (рис. 7, зона 1), перпендикулярно борту (рис. 7, зоны 2, 3) с максимальным и минимальным вылетами. Полученные результаты представлены на рис. 7. Направление ветра в момент замеров было с правого борта (на кран), при положении стрелы «на море» направление ветра совпадало с осью стрелы (на стрелу). Скорость ветра составляла от 15 до 20 м/с. Рис. 7. Упругие деформации барбета крана правого борта в продольном и поперечном направлениях относительно правого борта платформы Как следует из рис. 7, поворот стрелы крана на максимальном вылете приводит к деформации барбета на отметке уровня 35 м до 25 мм в направлении перпендикулярном платформе (см. замеры 1-3 «Стрела на море» и «Стрела вдоль борта»). При минимальном вылете стрелы колебания барбета составляют 15-20 мм (для сравнения: в аналогичном режиме колебания барбета крана зав. № 170.286 были меньше на 30-40 %). При максимальном вылете стрелы амплитуда колебаний также достигает 20 мм. Очевидно, что с грузом эти деформации будут существенно большими. Среди особенностей необходимо отметить наличие собственных колебаний системы «кран - несущие м/к барбета» с амплитудой 15-20 мм. Из результатов замеров можно сделать вывод, что указанные деформации барбета являются основной причиной сдвиговых напряжений, вызвавших образование трещин в м/к надстройки, примыкающей к барбету (см. рис. 6, б, в, г, д). Анализ имеющейся конструкторской документации и статических расчетов на прочность несущих м/к барбетов кранов Liebherr RL 2650-70 Ex LSC, выполненный проектировщиком платформы ЦКБ «Коралл», показал, что в расчете на прочность барбетов кранов м/к технологических надстроек не учитывались и напряжения в их элементах не определялись. Несущими элементами в статических расчетах проектировщиком определены барбеты и продольные несущие балки платформы и м/к 3-х палуб (рис. 8, 9). Замечаний к целостности этих элементов при проведении экспертизы нет. В результатах статических расчетов проектировщиком не приведены предельные деформации (перемещения) барбетов под нагрузкой, что не позволяет сопоставить расчетные и замеренные значения упругих деформаций барбетов для анализа фактического состояния м/к. Кроме того, в статическом расчете барбетов принят расчётный опрокидывающий момент М = 23 500 кН · м, в то время как максимальный паспортный грузовой момент кранов составляет М = 11 480 кН · м. Стрела массой 34,2 т без учета массы крюковой подвески и канатов создает добавочный момент порядка 6 800 кН · м. В результате получим опрокидывающий момент М = 18 280 кН · м. Замеры собственных колебаний кранов показали, что динамический коридор при неподвижном грузе составит от 20 до 25 %. Это увеличивает опрокидывающий момент до 22 000 кН · м, вследствие чего расчетный запас прочности на динамику перемещения груза и ветровую нагрузку составляет всего чуть более 6 %. а б Рис. 8. Расчётная схема Рис. 9. Конечно-элементная модель (КЭМ) барбета крана Liebherr RL 2650-70 Ex LSC: а - КЭМ барбета при положении стелы перпендикулярно борту платформы; б - то же вдоль борта платформы Отметим, что коэффициент запаса прочности морских кранов должен составлять более 20 %. Заключение Учитывая, что по результатам статических расчетов, приведенных в конструкторской документации проектировщика, напряжения в несущих элементах барбетов в некоторых режимах близки к предельным; учитывая результаты экспертизы, в том числе образование усталостных трещин в м/к технологических надстроек, являющихся предвестниками возможных опасных состояний несущих м/к кранов, и учитывая, что упругие деформации барбетов имеют значительные амплитуды, считаем целесообразным рекомендовать владельцу крана разработать необходимые меры предосторожности. Среди этих мер необходимо предусмотреть выполнение расчетного динамического анализа кранов Liebherr RL 2650-70 Ex LSC согласно ГОСТ 28609-90. Расчетные динамические модели этих кранов на границах системного анализа должны учитывать систему «кран с грузом на подвесе - барбет - м/к палубы» с учетом ветровых нагрузок на расчетные сочетания эксплуатационных нагрузок, принимаемых в порядке, установленном Правилами безопасности на опасных производственных объектах, на которых используются подъёмные сооружения (ПБ 533).