SACS在設(shè)備成橇底橇強(qiáng)度校核中的應(yīng)用

謝騰騰 邢 玲 楊文光 鄭 意 李金波 劉學(xué)虎

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司)

SACS在設(shè)備成橇底橇強(qiáng)度校核中的應(yīng)用

謝騰騰*邢 玲 楊文光 鄭 意 李金波 劉學(xué)虎

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司)

以某工程項(xiàng)目為例，闡述了如何利用SACS軟件進(jìn)行底橇計(jì)算并進(jìn)行規(guī)范校核。

設(shè)備撬裝 底橇 強(qiáng)度校核 SACS軟件

設(shè)備成橇是指將流量計(jì)、溫度計(jì)等儀表及相關(guān)閥門、管線安裝在鋼結(jié)構(gòu)框架上進(jìn)行工廠化制造。設(shè)備成橇后整體尺寸可以得到很好地控制，節(jié)省布置空間，且由于儀表閥門都在工廠組裝，極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試的工作量[1，2]。如今，設(shè)備成橇已成為確保油氣田高效開發(fā)的重要手段，不僅能夠加快油氣田建設(shè)，保證建設(shè)質(zhì)量，還能有效的降低整個(gè)工程的投資[3～6]，因此被越來越多地應(yīng)用在海上平臺(tái)建設(shè)及陸上油氣田地面集輸工程中。

底橇位于設(shè)備、管線的下方，用來承載整個(gè)橇塊的重量及設(shè)備管線的振動(dòng)等[4]，因此底橇的強(qiáng)度計(jì)算成為設(shè)備成橇過程中的重要環(huán)節(jié)。底橇大多為方框結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度計(jì)算一般是從兩個(gè)方向上分別將它簡(jiǎn)化成兩點(diǎn)支撐的簡(jiǎn)支梁模型，或者簡(jiǎn)化為一次超靜定結(jié)構(gòu)[7]，進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算后按照AISC規(guī)范進(jìn)行手動(dòng)校核[8]。這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，不用另行建立模型，只需計(jì)算底橇在兩個(gè)方向上主梁的型號(hào)及數(shù)量，可以編制成Excel程序進(jìn)行快速計(jì)算。但一方面由于兩種方法在計(jì)算每個(gè)方向時(shí)均按整個(gè)橇塊重量計(jì)算，因此偏于保守；另一方面兩種方法均是將底橇簡(jiǎn)化成單個(gè)梁構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，忽略了各個(gè)構(gòu)件之間的相互影響，計(jì)算準(zhǔn)確性值得商榷。此外，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如雙層底橇或底橇和平臺(tái)連接為一個(gè)整體的情況，構(gòu)件不能再簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁模型，這兩種計(jì)算方法便不再適用。因此，借助于鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行底橇強(qiáng)度校核在設(shè)備成橇過程中的重要性越來越明顯。筆者以某工程項(xiàng)目中的底橇計(jì)算為例，介紹SACS軟件在橇塊鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用。

1 模型描述

SACS軟件是由美國(guó)Engineering Dynamics公司開發(fā)的為海洋平臺(tái)和土木工程提供結(jié)構(gòu)分析的一套軟件工具，現(xiàn)被Benley公司收購(gòu)。該軟件集成了AISC和API等大量專業(yè)規(guī)范校核程序模塊，能夠自動(dòng)生成風(fēng)、波、流等荷載，并對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析和動(dòng)力分析[9]，因此廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外海洋工程結(jié)構(gòu)分析中。

圖1為某工程項(xiàng)目中分離器橇塊的底橇及支撐簡(jiǎn)圖，該底橇長(zhǎng)17 900mm，寬4 000mm。底橇在現(xiàn)場(chǎng)由若干樁基支撐(圖中以SUPPORT表示)，KL表示桿件型號(hào)為25a工字鋼，CL表示桿件為20a工字鋼，ZL表示HW205 mm×250 mm寬腹H形鋼，其中ZL構(gòu)件位于鞍座下方，起支撐設(shè)備重量的作用。橇塊設(shè)置有4個(gè)吊耳。橇塊相關(guān)重量見表1。

表1 橇塊重量 kg

根據(jù)圖紙，在SACS中建立底橇模型。底橇強(qiáng)度校核可分為吊裝工況和操作工況兩種情況，一般來說吊裝是危險(xiǎn)工況，只要吊裝工況下強(qiáng)度校核通過，可不進(jìn)行操作工況下的校核。但該項(xiàng)目由于運(yùn)輸限制，底橇和設(shè)備本體分開吊裝運(yùn)輸。因操作工況下設(shè)備重量較大，從而導(dǎo)致吊裝工況的荷載遠(yuǎn)小于操作工況下的荷載，因此兩種工況都需要進(jìn)行計(jì)算。圖2、3分別為吊裝工況和操作工況下的模型。對(duì)于吊裝工況，固定吊點(diǎn)，用桿單元模擬吊索，釋放吊索自由度，并在4個(gè)吊耳點(diǎn)處加設(shè)彈簧，防止模型在水平方向上的自由移動(dòng)；操作工況則只需設(shè)置樁基支撐節(jié)點(diǎn)的約束。

圖1 底橇及支撐簡(jiǎn)圖

圖2 底橇吊裝工況模型

圖3 底橇操作工況模型

根據(jù)規(guī)范API RP 2A，對(duì)于在開敞暴露海域進(jìn)行的吊裝，在設(shè)計(jì)吊點(diǎn)和形成與吊點(diǎn)相連的節(jié)點(diǎn)并將吊裝力傳遞到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的其他內(nèi)部構(gòu)件時(shí)，應(yīng)使用最小為2.00的荷載系數(shù)計(jì)算靜荷載，對(duì)于所有其他的傳遞吊裝力的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)使用1.35的最小荷載系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)于陸上吊裝，應(yīng)分別使用不低于1.50和1.15的動(dòng)載系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，且不得使用AISC對(duì)短期荷載容許應(yīng)力增加的規(guī)定[9,10]。該橇塊雖然用于陸上油田，但需要進(jìn)行海上運(yùn)輸，為保證裝卸船時(shí)的底橇強(qiáng)度，在此選取2.00/1.35的動(dòng)載系數(shù)。吊裝工況下的荷載設(shè)置見表2，負(fù)號(hào)表示荷載方向?yàn)樨Q直向下。

表2 吊裝工況荷載設(shè)置

操作工況下的構(gòu)件校核采用荷載與抗力系數(shù)設(shè)計(jì)方法(LRFD)，荷載設(shè)置依據(jù)ASCE 標(biāo)準(zhǔn)，需要考慮動(dòng)荷載和風(fēng)、地震等荷載。由于底橇自身迎風(fēng)面非常小，在此風(fēng)荷載主要考慮的是設(shè)備受到的風(fēng)壓。

荷載設(shè)置見表3。

表3 操作工況荷載設(shè)置[11,12]

注：D——基本靜荷載；L——基本動(dòng)荷載；W——風(fēng)荷載；E——地震荷載。其中風(fēng)荷載和地震荷載依據(jù)ASCE標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算后以靜荷載方式施加到構(gòu)件上。

2 結(jié)果分析

設(shè)置好荷載組合后進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后進(jìn)入后處理中查看結(jié)果。為驗(yàn)證模型的正確性，需檢查約束點(diǎn)的支反力及彈簧力。在此以吊裝工況為例，表4顯示了200荷載工況下約束節(jié)點(diǎn)的支反力。其中節(jié)點(diǎn)0006、0008、0036和0038為施加彈簧約束節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)0045為吊點(diǎn)。可見，4個(gè)節(jié)點(diǎn)的彈簧力均小于1kN，若彈簧力大于1 kN，則需檢查吊點(diǎn)設(shè)置是否合理； 200荷載工況下，模型受到的豎直向下的力為：2.00×(1.77SW+SAD)=-227.77kN，與節(jié)點(diǎn)0045的支反力相吻合，驗(yàn)證了模型的正確性。

表4 200荷載工況下的節(jié)點(diǎn)支反力

圖4、5 分別顯示了吊裝工況和操作工況下各桿件的UC(Utility Check)值。對(duì)于吊裝工況，與吊耳直接相連的構(gòu)件按200荷載校核，其他構(gòu)件按135荷載校核(圖4中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值)；圖5顯示的結(jié)果為各荷載組合下UC的最大值，結(jié)果顯示中略去了UC值小于0.15的桿件。

圖4 吊裝工況下各桿件UC值

圖5 操作工況下各桿件UC值

對(duì)比計(jì)算結(jié)果可見，吊裝工況下的危險(xiǎn)構(gòu)件是與吊耳相連的長(zhǎng)方向構(gòu)件，操作工況下的危險(xiǎn)構(gòu)件是位于鞍座下方的構(gòu)件，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)予以考慮。兩種工況下底橇上的次梁構(gòu)件UC值都比較小，但因?yàn)榈浊辽厦驿佋O(shè)有花紋鋼板，上面需要放置雜物或者供人行走，因此盡管次梁對(duì)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，但仍是不可或缺的，次梁支撐間距一般控制在1.5m左右。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，兩種工況下結(jié)構(gòu)桿件的UC值都小于1，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，目前該橇塊已成功吊裝，驗(yàn)證了結(jié)果的可信性。

此外，對(duì)于吊裝工況，通過提取吊裝工況下的吊索內(nèi)力，可以精確選取吊索型號(hào)和進(jìn)行吊耳設(shè)計(jì)；對(duì)于操作工況，通過提取節(jié)點(diǎn)支撐反力可以進(jìn)行土建基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

3 整體吊裝與單獨(dú)吊裝的對(duì)比

本例中底橇與設(shè)備分開吊裝，如果底橇和設(shè)備進(jìn)行整體吊裝，則情況會(huì)有所不同。整體吊裝時(shí)，設(shè)備、頂部操作平臺(tái)的重量均由鞍座傳遞到底橇。因此，在計(jì)算模型中調(diào)整荷載設(shè)置，修改吊裝工況下的SAD荷載為1 176.36 kN (設(shè)備及其附件和頂部操作平臺(tái)等的重量)，其他保持不變。調(diào)整后重新計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示(括號(hào)中為135荷載校驗(yàn)結(jié)果)，結(jié)果中略去了UC值小于1的桿件。可見，在型鋼規(guī)格不變的情況下，整體吊裝時(shí)結(jié)構(gòu)不具有足夠強(qiáng)度。因此，在進(jìn)行底橇設(shè)計(jì)時(shí)，要預(yù)先考慮底橇和設(shè)備是整體吊裝還是分開單獨(dú)吊裝，這直接影響到型鋼規(guī)格的確定。

圖6 整體吊裝工況下各桿件UC值

4 結(jié)束語

隨著設(shè)備成橇的日益普及，底橇的強(qiáng)度校核也顯得越來越重要。以往經(jīng)常采用的將模型簡(jiǎn)化、手動(dòng)計(jì)算內(nèi)力后按標(biāo)準(zhǔn)校核的方法都需對(duì)模型做很多簡(jiǎn)化，且無法計(jì)算多支點(diǎn)支撐工況(如操作工況)和多層框架情況。而鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件在進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)則具有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖形界面友好，建模方便；內(nèi)置了AISC、API等多種規(guī)范校核模塊，有利于在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行規(guī)范檢驗(yàn)；能夠處理復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和工況，計(jì)算結(jié)果精確可靠；荷載設(shè)置方便，易于調(diào)整桿件截面，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，在橇塊設(shè)計(jì)中引入結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，可減少工程設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)和設(shè)計(jì)周期，增加計(jì)算的準(zhǔn)確性，有利于項(xiàng)目的實(shí)施與進(jìn)行。

[1] 陳艷,安慕華,張闖.橇裝設(shè)備儀表自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則[J].化工自動(dòng)化及儀表, 2013,40(12):1561～1564.

[2] 姜?jiǎng)P凱,柴小勇.高含水油田區(qū)地面優(yōu)化簡(jiǎn)化技術(shù)的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表, 2014,41(12):1435～1439.

[3] 李海潤(rùn),劉百春,徐佳爽，等.橇裝化裝置在海外氣田集輸工程中的應(yīng)用[J].天然氣與石油,2013,31(2):14～19.

[4] 劉英男,單魯維, 蔣林滔.橇裝往復(fù)壓縮機(jī)的振動(dòng)分析[J].化工機(jī)械,2015,42(1):53～57.

[5] 李瀟,陳巍.海洋石油平臺(tái)成橇特點(diǎn)分析[J].石油和化工設(shè)備,2013,16(4):39～40.

[6] 吳偉,羅獻(xiàn)堯.撬裝化設(shè)備在普光氣田集輸工程中的應(yīng)用[J].化工時(shí)刊,2012,26(8):41～43.

[7] 文曉龍,舒建軍,楊作萬，等.壓力容器底橇計(jì)算的一種新方法[J].石油化工設(shè)備, 2010,39(5):26～29.

[8] AISC 360-10，Specification for Structural Steel Buildings [S]. America:AISC,2010.

[9] 侯金林,李建民,崔玉軍，等.海洋石油工程平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007：12～20.

[10] API RP 2A-WSD， Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design [S] .America: API,2002.

[11] ASCE 7-10，Minimum Design Loads for Buildings and other Structures[S]. America: ASCE, 2010.

[12] 布洛肯布洛夫,麥里特，著，同濟(jì)大學(xué)鋼與輕型結(jié)構(gòu)研究室，譯.美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2006:340～436.

*謝騰騰，男，1989年2月生，助理工程師。上海市，201518。

TQ051.8+4

B

0254-6094(2016)04-0535-05

2016-01-05，

2016-03-31)