導(dǎo)管架內(nèi)外布置吊裝吊點(diǎn)的有限元分析

靳寶旺，張海榮，張鑫，孫貞

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

導(dǎo)管架吊裝吊點(diǎn)是導(dǎo)管架設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)附件，是導(dǎo)管架海上能否順利吊裝的直接影響因素，根據(jù)每個(gè)導(dǎo)管架的自身特點(diǎn)及項(xiàng)目需求，吊點(diǎn)布置通常采用兩種形式，一種是外置吊點(diǎn)，一種是內(nèi)置吊點(diǎn)，本文根據(jù)兩種吊點(diǎn)不同的布置形式，利用ANSYS 17.0有限元分析軟件，對兩種布置形式分別進(jìn)行有限元分析。

1 吊裝吊點(diǎn)布置結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)置吊裝吊點(diǎn)，是把吊點(diǎn)布置在四個(gè)導(dǎo)管腿內(nèi)測，是一種常見的導(dǎo)管架吊裝吊點(diǎn)布置形式，有時(shí)考慮結(jié)構(gòu)干涉和海上切割工作量，也會選擇外置吊裝吊點(diǎn)的布置形式，即把吊點(diǎn)布置在四個(gè)導(dǎo)管架外側(cè)，這兩種布置形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用中，往往根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況和特殊需求進(jìn)行選擇，本文僅從結(jié)構(gòu)受力方面，來對比兩種吊裝吊點(diǎn)布置的優(yōu)劣。

內(nèi)側(cè)吊點(diǎn)布置圖：

圖1 內(nèi)測吊點(diǎn)水平布置圖

圖2 內(nèi)測吊點(diǎn)立面布置圖

外側(cè)吊點(diǎn)布置圖：

圖3外測吊點(diǎn)水平布置圖

圖4 外測吊點(diǎn)立面布置圖

吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式圖：

圖5內(nèi)測吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式圖

圖6 外測吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式圖

2 有限元分析

2.1 有限元模型

根據(jù)吊點(diǎn)內(nèi)外布置的結(jié)構(gòu)形式不同，采用ANSYS軟件分別建立兩種結(jié)構(gòu)形式的有限元模型，模型包括吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管架腿和臨近所有拉筋結(jié)構(gòu)等，模型中導(dǎo)管架腿的規(guī)格為Φ2340X65，三根臨近拉筋的規(guī)格為Φ762X19，Φ914X25和Φ762X19。有限元模型采用SHELL181殼單元，網(wǎng)格劃分為100mm，幾何模型和有限元模型如下圖所示：

圖7 內(nèi)測吊點(diǎn)幾何模型

圖8 內(nèi)測吊點(diǎn)有限元模型

圖9 外測吊點(diǎn)幾何模型

圖10 外測吊點(diǎn)有限元模型

2.2 邊界條件和加載情況

導(dǎo)管架腿下端面和所有拉筋根部斷面六個(gè)自由度采取全約束的有限元模型邊界條件。

計(jì)算中，在吊孔中心模擬吊繩力，利用MASS21單元將吊孔上的所有節(jié)點(diǎn)與吊孔中心的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接傳力，兩種吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式所選取的吊繩力均為16500KN，吊裝角度為60°。

圖11 內(nèi)測吊點(diǎn)邊界條件&加載

圖12 外測吊點(diǎn)邊界條件&加載

3 結(jié)果比較分析

3.1 內(nèi)置吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式結(jié)果

內(nèi)測吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式有限元結(jié)果如下圖所示，最大的Von Mises Stress結(jié)果為378.692Mpa，位于下環(huán)板邊沿，超許用應(yīng)力0.9xFy=0.9x355=319.5Mpa的區(qū)域小于一個(gè)單元格，屬于應(yīng)力集中區(qū)域，為可接受范圍，從圖中可以看到，整體應(yīng)力分布較為均勻，受力形式較好。

圖13 內(nèi)測吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖14 內(nèi)測吊點(diǎn)導(dǎo)管架腿應(yīng)力云圖

圖15 內(nèi)測吊點(diǎn)吊點(diǎn)應(yīng)力云圖

圖16 內(nèi)測吊點(diǎn)拉筋應(yīng)力云圖

內(nèi)置吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式下，包括吊點(diǎn)，導(dǎo)管架腿和拉筋在內(nèi)的各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度均滿足要求，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 內(nèi)置吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式各構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

3.2 外測吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式結(jié)果

圖17 外測吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式結(jié)果

外測吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式有限元結(jié)果如下圖所示，最大的Von Mises Stress結(jié)果為1100.37Mpa，位于上環(huán)板， 出現(xiàn)大面積的超許用應(yīng)力0.9xFy=0.9x355=319.5Mpa區(qū)域，主要位于上環(huán)板區(qū)域，拉筋根部區(qū)域，導(dǎo)管腿頂部區(qū)域和下部與吊點(diǎn)的連接處等，這些超許用應(yīng)力區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個(gè)單元格，整體結(jié)構(gòu)受力較差。

圖18 外測吊點(diǎn)導(dǎo)管架腿應(yīng)力云圖

圖19 外測吊點(diǎn)形式吊點(diǎn)應(yīng)力云

圖20 外測吊點(diǎn)形式拉筋應(yīng)力云圖

外置吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式下，包括吊點(diǎn)，導(dǎo)管架腿和拉筋在內(nèi)的各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度均不滿足要求，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 內(nèi)置吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式各構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

（1）導(dǎo)管架兩種吊點(diǎn)的布置形式，外置吊點(diǎn)的布置形式受力較差，內(nèi)置吊點(diǎn)的布置形式較好。

（2）如果考慮結(jié)構(gòu)干涉和海上切割工作量，選擇外置吊點(diǎn)的布置形式，對外置吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要重點(diǎn)關(guān)注。