基于有限元分析的海上支持平臺(tái)遮蔽甲板吊重能力評(píng)估

李寶彬

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300450）

0 引 言

“海洋石油901”多功能平臺(tái)是一艘用于海上油田增產(chǎn)和修井作業(yè)的鉆修井裝置，適合于淺水深海域條件下的鉆修井作業(yè)。該平臺(tái)船型為三角形船體，船體型長(zhǎng)40.8 m，型寬42.67 m，型深6.25 m，總長(zhǎng)59.2 m。該海上支持平臺(tái)遮蔽甲板下主要為泥漿泵房，在泥漿泵及其它機(jī)件的零部件更換、維修作業(yè)中，甲板橫梁作為起吊重物的載體，其承載能力尤為關(guān)鍵。平臺(tái)在建造之初，由于未充分考慮該遮蔽甲板橫梁的后期作業(yè)復(fù)雜工況，為了施工安全，需要對(duì)該遮蔽甲板橫梁吊重能力進(jìn)行充分評(píng)估。

有限元分析在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中已得到了廣泛的運(yùn)用，并被證實(shí)具有可信的準(zhǔn)確性。大型桁架或框架結(jié)構(gòu)受結(jié)構(gòu)尺寸的限制，一般使用梁?jiǎn)卧驓卧M(jìn)行分析[1-4]，在兼顧計(jì)算效率的同時(shí)能得到合理的結(jié)果。三維實(shí)體單元能夠更好地描述結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，因而計(jì)算結(jié)果能更趨于準(zhǔn)確，但需要更多的計(jì)算資源[5-6]。海上支持平臺(tái)遮蔽甲板橫梁屬于型鋼構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，尺寸為規(guī)模為4.8 m×3.4 m，為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文采用三維實(shí)體單元來(lái)進(jìn)行有限元計(jì)算。

1 遮蔽甲板橫梁模型

平臺(tái)遮蔽甲板鋪設(shè)在橫梁上，甲板的重量由梁與板面組焊后增加的抗彎模量承擔(dān)，圖1為平臺(tái)遮蔽甲板與橫梁現(xiàn)場(chǎng)圖，將橫梁?jiǎn)为?dú)建模，如圖2所示。

甲板橫梁由H型鋼和C型鋼構(gòu)成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2中序號(hào)描述，其結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1所示。型鋼材料均為Q235，不同型鋼通過(guò)焊接連接。甲板橫梁在吊重時(shí)，為了方便操作，起吊點(diǎn)是不固定的，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，主要的起吊點(diǎn)分布見(jiàn)圖3所示，共15個(gè)主要起吊點(diǎn)，其中起吊點(diǎn)F、G、H、I、J與起吊點(diǎn)K、L、m、N、O是對(duì)稱(chēng)分布，起吊點(diǎn)均在H型鋼上，C型鋼無(wú)起吊點(diǎn)。起吊重物時(shí)，各起吊點(diǎn)可按要求組合使用。

圖1 遮蔽甲板橫梁現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2 橫梁模型圖

表1 橫梁結(jié)構(gòu)尺寸

2 有限元分析

圖3 橫梁起吊點(diǎn)分布

根據(jù)橫梁模型，為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用三維6面體20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元（Solid186）劃分網(wǎng)格[5-6]，網(wǎng)格劃分模型見(jiàn)圖4。

遮蔽甲板橫梁的四個(gè)角由立柱支撐，因此在有限元分析時(shí)將橫梁框架的四角位置分別施加固定約束。在預(yù)定的起吊點(diǎn)組合施加豎直載荷，通過(guò)有限元計(jì)算分析橫梁的應(yīng)力狀態(tài)。甲板橫梁載荷分為三種形式，即單點(diǎn)載荷、二點(diǎn)載荷和多點(diǎn)載荷。

圖4 橫梁網(wǎng)格劃分模型

甲板橫梁材料屈服強(qiáng)度σs取為235 MPa，彈性模量E為2.08×105MPa，泊松比μ為0.28。甲板橫梁材料為典型的彈塑性金屬材料，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，采用Vonmises屈服準(zhǔn)則來(lái)判斷[7]，等效mises應(yīng)力表示為

式中，σ1、σ2、σ3分別為第一、二、三主應(yīng)力。

圖5（a）為F點(diǎn)單點(diǎn)最大載荷下的應(yīng)力云圖，圖5（b）為二點(diǎn)（H、M點(diǎn)組合）最大載荷下的應(yīng)力云圖。從圖5中可看出，最大應(yīng)力位置為起吊葫蘆與型鋼軌道的接觸區(qū)域，為了在計(jì)算中避免應(yīng)力集中，載荷施加時(shí)采用面力加載。計(jì)算過(guò)程中，施加載荷采用分步加載，直至應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度為止。

圖5 最大載荷時(shí)應(yīng)力云圖

3 結(jié)果與討論

3.1 單點(diǎn)載荷

分別對(duì)15個(gè)起吊點(diǎn)施加分步載荷計(jì)算，得出各起吊點(diǎn)的單點(diǎn)最大載荷，見(jiàn)表2所示。

從表2中可知，若進(jìn)行單點(diǎn)起吊，A點(diǎn)起吊能力最大，可起吊40 kN重物，其次是E點(diǎn)（39 kN）；C點(diǎn)起吊能力最小，最大起吊能力為26 kN。根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，按橫梁?jiǎn)吸c(diǎn)起吊能力將其劃分為三個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖6所示，其中I區(qū)起吊能力最強(qiáng)，II區(qū)其次，III區(qū)最弱。

圖6 起吊能力分布圖

3.2 二點(diǎn)載荷

在起吊施工中，二點(diǎn)起吊經(jīng)常使用，設(shè)二點(diǎn)均載，計(jì)算了18組不同的二點(diǎn)起吊組合，各組合的最大載荷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示，從表3中數(shù)據(jù)分布上看，二點(diǎn)均載起吊能力的分布規(guī)律與圖6表示的區(qū)域分布相同，在A、K、F起吊點(diǎn)附近的區(qū)域能承受的載荷能力最大，在C、D起吊點(diǎn)附近區(qū)域的起吊能力最弱。對(duì)比表2和表3可知，二點(diǎn)起吊載荷能力比單點(diǎn)起吊明顯增加，但二點(diǎn)起吊最大載荷并不是單點(diǎn)起吊最大載荷的簡(jiǎn)單相加。

表3 二點(diǎn)均載最大載荷

3.3 多點(diǎn)載荷

對(duì)于一些體積較大、形狀不規(guī)則的重物，為了起吊安全，?？紤]多點(diǎn)起吊方式，表4計(jì)算了8組不同的三點(diǎn)起吊、四點(diǎn)起吊組合的最大起吊載荷，起吊點(diǎn)組合原則為相鄰點(diǎn)組合。從表4的計(jì)算結(jié)果可看出，多點(diǎn)起吊的最大載荷能力的提升與起吊點(diǎn)間距有關(guān)系，起吊點(diǎn)間距越小，起吊能力與起吊點(diǎn)區(qū)域的二點(diǎn)起吊越接近，如A、K、F點(diǎn)組合的三點(diǎn)起吊與A、K或A、F組合的二點(diǎn)起吊相比，最大載荷能力非常接近；起吊點(diǎn)間距越大，起吊能力增加較明顯，如A、L、G點(diǎn)組合的三點(diǎn)起吊與該區(qū)域的二點(diǎn)起吊相比，最大載荷能力提升明顯。

表4 多點(diǎn)均載最大載荷

3.4 吊重能力評(píng)估與施工建議

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，單點(diǎn)起吊的最大載荷隨起吊點(diǎn)位置不同差異較大，圖6中I區(qū)最大載荷不應(yīng)超過(guò)32 kN，III區(qū)最大載荷不應(yīng)超過(guò)26 kN；若不考慮起吊位置，最大單點(diǎn)起吊載荷為26 kN。二點(diǎn)起吊和多點(diǎn)起吊的最大載荷能力明顯提升，二點(diǎn)起吊的最大安全載荷能力可達(dá)50 kN，多點(diǎn)起吊的最大載荷能力可達(dá)60 kN。

為安全起見(jiàn)，可將表中評(píng)估數(shù)據(jù)除以動(dòng)載系數(shù)k后使用，動(dòng)載系數(shù)k取值1.15，若平臺(tái)受風(fēng)浪影響較大，動(dòng)載系數(shù)k取值可增大到1.5?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，根據(jù)起吊方式，應(yīng)先參照表2～表4的數(shù)據(jù)評(píng)估起吊重量是否超標(biāo)，表2～表4中數(shù)據(jù)是最大起吊能力，施工時(shí)應(yīng)小于表中數(shù)據(jù)。起吊過(guò)程中，起升或下降速度應(yīng)緩慢均勻，防止沖擊載荷。

起吊載荷較大時(shí)，優(yōu)先選擇多點(diǎn)起吊方式施工，并盡量保證各起吊點(diǎn)均載；若為非均載，則須滿(mǎn)足各點(diǎn)載荷不能超過(guò)單點(diǎn)起吊載荷最大值，同時(shí)總載荷不能超過(guò)對(duì)應(yīng)的多點(diǎn)起吊最大載荷。在施工空間允許的條件下，二點(diǎn)起吊或多點(diǎn)起吊應(yīng)盡量采用間距大的起吊點(diǎn)組合。

4 結(jié)論

針對(duì)“海洋石油901”海上支持平臺(tái)遮蔽甲板，對(duì)甲板下橫梁的起吊能力進(jìn)行了有限元分析，并評(píng)估了各種起吊方式下的最大載荷。

1）計(jì)算了橫梁各起吊點(diǎn)單點(diǎn)起吊的最大載荷能力，并按載荷能力劃分了三個(gè)區(qū)域；若不考慮起吊位置，單點(diǎn)起吊最大載荷為26 kN。2）對(duì)常用的二點(diǎn)起吊和多點(diǎn)起吊組合進(jìn)行了計(jì)算，二點(diǎn)起吊或多點(diǎn)起吊比單點(diǎn)起吊的載荷能力大，且起吊點(diǎn)間距越大，載荷能力越有提高的趨勢(shì)。二點(diǎn)起吊的最大載荷能力可達(dá)到50 kN，多點(diǎn)起吊的最大載荷能力可達(dá)到60 kN。3）計(jì)算的各種起吊方式的最大載荷數(shù)據(jù)可為現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考和依據(jù)，評(píng)估結(jié)果對(duì)平臺(tái)的安全運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

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