海洋石油平臺(tái)陸地稱重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

劉明爽李曉光楊永枝李應(yīng)曉成凱

(1.海工國(guó)際工程有限責(zé)任公司,天津塘沽 300461; 2.海洋石油工程股份有限公司建造公司,天津塘沽 300452;3.海洋石油工程股份限公司工程項(xiàng)目管理中心,天津塘沽 300461)

海洋石油平臺(tái)陸地稱重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

劉明爽1李曉光1楊永枝3李應(yīng)曉2成凱2

(1.海工國(guó)際工程有限責(zé)任公司,天津塘沽 300461; 2.海洋石油工程股份有限公司建造公司,天津塘沽 300452;3.海洋石油工程股份限公司工程項(xiàng)目管理中心,天津塘沽 300461)

海洋石油平臺(tái)常見為四立柱鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái),陸地建造完工出海安裝之前,需要稱重得出準(zhǔn)確的重量和重心數(shù)據(jù),常用稱重形式包括稱滑靴和稱立柱。本文以渤海灣石油平臺(tái)為例,使用ANSYS有限元分析軟件,分別計(jì)算并設(shè)計(jì)兩種常用稱重結(jié)構(gòu)形式,并計(jì)算分析了應(yīng)力分布和變形情況,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工起到了指導(dǎo)性的作用。

海洋石油平臺(tái) 稱重 有限元分析

1 概述

海洋石油平臺(tái)常見為四立柱鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái),是海上進(jìn)行油氣作業(yè)的設(shè)施,一般包括鉆井平臺(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)、井口平臺(tái)和生活平臺(tái)等。海洋石油平臺(tái)陸地建造完成出海安裝之前,需要進(jìn)行陸地稱重,得出準(zhǔn)確的重量和重心,據(jù)此設(shè)計(jì)平臺(tái)吊點(diǎn)角度,保證海上吊裝安全平穩(wěn)。渤中29-4 WHPA平臺(tái)是海油工程承建的海洋生產(chǎn)平臺(tái)之一,平臺(tái)有四根立柱,立柱規(guī)格Φ1829×50mm,外圍尺寸約為32×48× 14.8m,重量約1900T,四根立柱支反力分別為529.8T、424.6T、510.7T和450.3T。根據(jù)滑道承載力要求,設(shè)計(jì)使用四條6.4m滑靴支撐立柱。立柱處腳鞋的設(shè)計(jì)規(guī)格與立柱相同,材質(zhì)GB712-2000 D36,腳鞋與立柱及滑靴連接詳見典型圖一所示。

表一 400T稱重千斤頂幾何參數(shù)

ANSYS軟件是流行的大型通用有限元分析軟件,它集結(jié)構(gòu)、熱力、流體、電磁等于一體,廣泛應(yīng)用于工程、造船、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、土木工程、水利等工作及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行,具有多物理場(chǎng)耦合功能,并且在PC機(jī)上建立的模型可在巨型機(jī)上運(yùn)行,確保了ANSYS可以對(duì)多領(lǐng)域多種工程問(wèn)題進(jìn)行求解?，F(xiàn)具體介紹該平臺(tái)稱重結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)及有限元分析。

2 ANSYS建模及結(jié)果分析

滑靴稱重形式,液壓千斤頂稱重系統(tǒng)布置在滑靴稱重結(jié)構(gòu)和滑道塊之間,通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)出滑靴稱重結(jié)構(gòu)。立柱稱重形式,液壓千斤頂稱重系統(tǒng)布置在立柱稱重結(jié)構(gòu)和滑靴之間,立柱稱重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上下稱重環(huán)板及縱向加強(qiáng)筋板的結(jié)構(gòu)形式,與立柱焊接,材質(zhì)均選用GB712-2000 D36,根據(jù)平臺(tái)立柱的重量,選用4個(gè)400T千斤頂進(jìn)行稱重,千斤頂參數(shù)見表一。建立的ANSYS模型分別如圖二和圖三所示。

由于結(jié)構(gòu)為鋼板或卷制管,選用SHELL93單元模擬,材料屬性采用線彈性模型,彈性模量210GPa,泊松比0.3。結(jié)構(gòu)上端施加豎向位移約束,千斤頂位置施加壓強(qiáng)載荷P。

P=α*T*g/(4*PI*D2)=1.5*529.8*1000*9.8/(4*PI*(193/ 1000)2)=52.27MPa (1)

式中,T為最大單腿支反力,g為重力加速度取9.8,D為千斤頂鞍座直徑,α為安全系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,滑靴稱重形式最大應(yīng)力為182MPa,立柱稱重形式最大應(yīng)力為189MPa,均小于許用應(yīng)力213MPa(取0.6倍屈服應(yīng)力),兩種稱重形式均滿足設(shè)計(jì)要求(如圖四所示)。

滑靴稱重形式優(yōu)點(diǎn)是合理設(shè)計(jì)滑靴稱重結(jié)構(gòu),避免立柱腳鞋與滑靴連接筋板的切割和二次焊接,缺點(diǎn)是要求滑道塊具有足夠強(qiáng)度支撐稱重千斤頂并有足夠的空間布置稱重千斤頂,稱得的重量和重心需要去除滑靴重量影響二次計(jì)算。立柱稱重形式優(yōu)點(diǎn)是稱重結(jié)果準(zhǔn)確不需二次計(jì)算,不需考慮滑道塊強(qiáng)度和尺寸,缺點(diǎn)是需要切割立柱腳鞋與滑靴的連接筋板和稱重后重新焊接,稱重結(jié)構(gòu)可能與平臺(tái)立柱主結(jié)構(gòu)焊接,稱重后需要切除恢復(fù)立柱原狀。本平臺(tái)稱重結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,綜合評(píng)估最終選用經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性更好的滑靴稱重形式,有效的指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

ANSYS軟件目前已廣泛應(yīng)用于海油工程各個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和計(jì)算當(dāng)中,通過(guò)有限元分析,可以合理設(shè)計(jì)稱重結(jié)構(gòu)物、吊裝吊點(diǎn)、各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)物整體和局部強(qiáng)度校核等工作,可以計(jì)算得到詳細(xì)的應(yīng)力分布和變形數(shù)據(jù),有效的指導(dǎo)了工程項(xiàng)目的施工作業(yè)。通過(guò)有限元計(jì)算,可以合理設(shè)計(jì)各部件的詳細(xì)規(guī)格尺寸,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,選用更加經(jīng)濟(jì)、合理和實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)施方案,更加有效的指導(dǎo)一線安全高效施工。

[1]API 2A,Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design.

[2]尚曉江,等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[J].中國(guó)水利水電出版社,2005.

[3]鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析自學(xué)手冊(cè)[M].人民郵電出版社,2007 (1).

[4]聶武,孫麗萍,李治彬,等.海洋工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社,2003(7).