泥漿模塊安裝方案設計

李彥麗，劉靜辰，徐德剛，安振武，張曉頻，李 明

(中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司 天津300452)

泥漿模塊安裝方案設計

李彥麗，劉靜辰，徐德剛，安振武，張曉頻，李 明

(中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司 天津300452)

介紹了泥漿模塊的工程設計概況，綜合考慮模塊、平臺組塊吊裝重量、浮吊能力、工程費用等方面，采用泥漿模塊與平臺組塊整體吊裝方案，并采用輔助吊裝框架結(jié)構(gòu)，避免干涉情況。應用SACS和 ANSYS軟件對平臺組塊和泥漿模塊整體吊裝、吊點結(jié)構(gòu)、輔助吊裝框架結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，結(jié)果表明，吊裝構(gòu)造能夠滿足整體吊裝作業(yè)要求。對應注意問題進行了說明，總結(jié)了采用海上整體吊裝工程項目的主要特點，為以后工程項目海上吊裝方案選擇提供參考。

上部模塊 海洋平臺 安裝 整體吊裝 ANSYS SACS

1 項目概況

本文所述項目油氣田是我國在東海發(fā)現(xiàn)的第一個以天然氣為主的復合型油氣田，位于上海市東南大約400,m的東海海域，水深范圍為88～90,m。油氣田已建 DPP平臺是帶有生活模塊和鉆機的自身可鉆井、采油和油氣處理的綜合平臺，于1999年投產(chǎn)。為進一步對油氣田進行開發(fā)，使其具備進行7,000,m高壓大位移鉆井能力，將綜合平臺(DPP)升級改造，并新建一座 4腿導管架平臺：輔助平臺(SDPP)。新建SDPP平臺通過棧橋與DPP平臺連接，不設油氣處理系統(tǒng)，設有3個井槽，共兩層甲板。SDPP泥漿模塊和P-TANK模塊布置于其平臺頂層甲板上(見圖 1)，為DPP平臺鉆井提供支持。

圖1 DPP和SDPP平臺整體布置Fig.1 Overall plan of a DPP & SDPP platform

2 安裝方案

SDPP泥漿模塊在青島場地建造，建造完成后，使用履帶吊吊裝至SDPP平臺組塊頂層甲板，與組塊一起整體吊裝裝船出海，經(jīng)海洋石油225拖航運輸至海上安裝，由“華天龍”4,000,t起重船進行海上吊裝作業(yè)，整體吊裝質(zhì)量約 2,513,t，其中泥漿模塊總體吊裝重量約 980,t，泥漿模塊與組塊整體海上吊裝安裝設計方案主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 整體海上吊裝方案主要技術參數(shù)Tab.1 Main parameters of integral lifting

泥漿模塊安裝方案特點：①由于浮吊資源緊缺，泥漿模塊在建造場地吊裝至組塊頂層甲板采用陸地履帶吊，但又受到吊機能力限制，因此分成 3塊進行建造，分別為：泥漿泵模塊、泥漿池模塊、工作間模塊。其中泥漿泵模塊吊裝質(zhì)量最大，約 486,t。②泥漿模塊與組塊整體進行海上安裝，減少了海上吊裝次數(shù)，降低了施工費用。③整體吊裝采用單吊鉤 4個吊點進行吊裝作業(yè)，兩個吊耳在泥漿模塊上，兩個在組塊頂層甲板，為避免吊索與模塊或大型設備碰撞，需采用輔助吊裝框架進行海上吊裝。④整體海上吊裝的吊繩繩力較大，不含動力放大系數(shù)接近 1,000,t，吊點結(jié)構(gòu)為耳軸式吊耳。⑤新建 SDPP平臺與已建 DPP平臺距離很近，安裝完成后兩平臺通過雙層棧橋連接，海上吊裝時應避免與DPP平臺結(jié)構(gòu)、吊機臂等構(gòu)造的碰撞。

“華天龍”號起重船海上吊裝作業(yè)時，波浪激起的船體運動帶動起重機吊臂和吊物擺動而產(chǎn)生附加動力荷載，會影響吊裝作業(yè)安全，因此需要對波浪環(huán)境下吊物運動和吊索附加動力荷載進行定性定量分析，保證海上吊裝作業(yè)安全。[1-2]

采用Bently有限元分析軟件SACS對整體吊裝進行模擬分析，吊裝分析模型如圖 2所示。泥漿模塊整體吊裝設計對吊點及直接與吊點連接的結(jié)構(gòu)件設計考慮2.0的動力荷載系數(shù)，對其他傳遞提升力的結(jié)構(gòu)件設計考慮1.35的動力荷載系數(shù)。[3]

圖2 整體吊裝模型Fig.2 Model of integral lifting

3 吊裝構(gòu)造分析

泥漿模塊與組塊整體吊裝的兩個吊點位于泥漿模塊頂層甲板，另外兩個吊點位置在生根于組塊甲板的立柱上，立柱頂端與泥漿模塊頂層甲板高度一致，設置輔助吊裝框架，如圖 2所示。輔助吊裝框架弦桿選擇直徑 762圓管，撐桿直徑 610圓管，材質(zhì)為GB,712—2011,DH36的高強度鋼。吊點結(jié)構(gòu)為耳軸式吊點，貫通主板及吊柱圓管采用 GB 712—2011 DH36-Z35高強度鋼板，其他材料為 GB 712—2011 DH36無Z向性能要求的高強度鋼板，4個吊點結(jié)構(gòu)質(zhì)量約58.7,t，輔助吊裝框架質(zhì)量(包含從組塊生根的圓管立柱)約85,t，吊耳局部構(gòu)造形式如圖3所示。

圖3 耳軸式吊耳Fig.3 Lifting trunnion

3.1 吊點結(jié)構(gòu)設計

為合理評估吊點的結(jié)構(gòu)安全性，應用ANSYS軟件對吊點結(jié)構(gòu)進行有限元分析，分析中注意以下問題：[4]①模型簡化。吊點結(jié)構(gòu)包括鋼管、鋼板和組合H型鋼等，建模時可分別建立各個元素，然后再聯(lián)系在一起。焊縫和倒角等局部構(gòu)造僅對局部結(jié)構(gòu)有影響，在宏觀分析中予以忽略。②網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分盡量使用四邊形單元，對于特別關注的區(qū)域應劃分為較細密的網(wǎng)格，同時應注意單元各邊的邊長相差不應太大，否則會影響計算精度或造成結(jié)果不收斂。網(wǎng)格劃分盡量手動控制，使用 Mesh功能中的 Mapped mesh主動控制網(wǎng)格大小，得到滿意的計算結(jié)果。③荷載、邊界條件簡化。吊點結(jié)構(gòu)是以泥漿模塊和組塊為整體的一個局部構(gòu)造，與其相連的結(jié)構(gòu)對它的約束即為荷載及邊界條件。簡化載荷及邊界條件時可應用 SACS軟件對模塊、平臺組塊做整體吊裝分析，從中提出所取局部結(jié)構(gòu)邊界上的解，作為邊界條件施加到ANSYS模型，也可以通過適當選取與吊點相連結(jié)構(gòu)的長度簡化邊界條件，但簡化邊界不能對特別關注區(qū)域的結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，檢驗方法為檢查 ANSYS等效應力云圖，如邊界處應力沒有擴散到特點關注的區(qū)域，即可認為邊界條件是合理的。

整體吊裝吊點 ANSYS有限元分析模型采用SOLID45實體單元，模型主要包括主腿立柱、耳軸圓管、甲板支撐主梁、吊裝框架支撐等。由等效應力云圖(見圖 4)可以發(fā)現(xiàn)，吊點結(jié)構(gòu)總體上應力比較均衡，最大等效應力為 257.1,MPa，位于主立柱與耳軸連接處且范圍較小，最大等效應力小于需用應力(284,MPa＝0.8×355)，主貫通板的冗余度較大。

3.2 輔助吊裝框架設計

整體吊裝輔助吊裝框架為桁架桿系結(jié)構(gòu)，其有限元強度分析采用SACS軟件，建立整體吊裝模型如圖5所示，顯示局部輔助吊裝框架模型如圖 6所示。

圖4 整體吊裝吊點結(jié)構(gòu)等效應力云圖Fig.4 Von-mises stress for lifting trunnion

圖5 整體吊裝SACS模型Fig.5 SACS model of integral lifting

圖6 輔助吊裝框架局部模型Fig.6 Model of lifting spreader

分析中應注意的問題：①邊界設置。吊鉤處邊界約束為剛固，吊繩進行約束釋放，組塊基座位置設置彈簧約束，保證吊裝結(jié)構(gòu)計算的收斂性。②泥漿模塊、平臺組塊荷載均進行合理模擬。③考慮吊裝2.0倍動力荷載系數(shù)，考慮重心位置±0.5,m偏心彎矩的影響。④吊索與水平面夾角大于 60,°。⑤吊裝框架桿件應進行有效長度修正。

通過計算結(jié)果分析，最大的桿件名義應力比為0.66，滿足結(jié)構(gòu)強度要求，詳細應力分析如表2所示。

表2 輔助框架桿件應力分析表Tab.2 Stresses of the lifting spreader

4 結(jié) 語

海洋平臺和上部模塊諸如生活樓、模塊鉆機、灰罐模塊等分屬不同總包、建造，一般分別單獨進行海上吊裝就位，上述項目通過綜合分析采用整體吊裝，特點包括：①將平臺與各上部模塊整體安裝，海上安裝起吊次數(shù)減少為 1次，縮短了海上作業(yè)時間，降低了工程費用。②整體吊裝高度尺寸增大，對作業(yè)起重船性能有更高要求，并應注意避免吊索與重要設備、結(jié)構(gòu)件的碰撞，必要情況下采用輔助吊裝框架、輔助吊桿等設施保證海上吊裝安全完成。③整體吊裝重量大，為保證吊裝工況下的平臺組塊及各上部模塊結(jié)構(gòu)強度滿足要求，組塊和上部模塊的結(jié)構(gòu)用鋼量將增加。④整體吊裝工程項目管理界面復雜，需協(xié)調(diào)安排平臺組塊設計方、建造方、安裝方，各模塊具備設計方、建造方、安裝方的界面接口，保證各方設計和施工方案的可實施性，并注意各方施工時間統(tǒng)籌布置，避免影響投產(chǎn)工期。

通過應用 SACS、ANSYS軟件對海上平臺與上部模塊整體吊裝的吊裝構(gòu)造分析可知，位移和應力的分布與預期相符，分析結(jié)果合理可靠，為海上吊裝方案的確定提供了可靠的依據(jù)。整體吊裝設計保證了華天龍?zhí)柶鹬卮Ｉ系跹b作業(yè)的安全，為海上吊裝作業(yè)的順利進行提供了理論依據(jù)。

［1］ 顧永寧，胡志強，謝彬，等. 大型起重船波浪誘導吊索附加動力荷載研究[J]. 中國海上油氣，2005， 17(3)：197-202.

［2］ 王寧，徐田甜. XJ23-1油田平臺模塊海上吊裝優(yōu)化設計[J]. 石油礦場機械，2007，36(8)：26-30.

［3］ 中國船級社. 海上固定平臺入級與建造規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，1992.

［4］ 張建勇，徐田甜，王寧，等. 番禺30-1氣田鉆機DES模塊吊裝強度分析[J]. 石油工程建設，2007，33(3)：46-49.

Design of a Mud-module Installation Plan

LI Yanli，LIU Jingchen，XU Degang，AN Zhenwu，ZHANG Xiaopin，LI Ming
(CNOOC Ener-Tech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China)

This paper introduces an engineering design of a mud-module project．Integral lifting was adopted in this project，considering weight of mud module，upper deck and engineering cost．Lifting frame was used to avoid conflicts．SACS and ANSYS software were applied to analyze the integral lifting，lifting pad eyes and lifting frame．Analysis results indicate that the above mentioned lifting structures can meet the requirements of integral lifting．Some note-worthy problems in the analysis were pointed out and some integral lifting characteristics were summed up，which will offer references for lifting plan selecting in other similar projects.

upper module；offshore platform；installation；integral lifting；ANSYS；SACS

P751

A

1006-8945(2016)01-0030-03

2016-01-02