定柱式懸臂吊在老平臺(tái)改造項(xiàng)目的研究及應(yīng)用

趙 剛 ，高紹濤 ，武斌斌 ，周 健 ，姜宇飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

1 背景描述

埕北油田設(shè)備設(shè)施整體升級(jí)改造項(xiàng)目涉及到結(jié)構(gòu)、機(jī)械、配管、電氣、儀表、通信等各專業(yè)的改造施工，數(shù)量巨大，任務(wù)繁重，時(shí)間緊迫（只有4個(gè)月的停產(chǎn)時(shí)間）。尤其是吊裝作業(yè)，老平臺(tái)自有吊機(jī)1臺(tái)，工作半徑有限，吊裝盲區(qū)較大，加之服役時(shí)間較長(zhǎng)，性能老化，不能保證高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)，而利用浮吊資源成本較高。為緩解這一系列的工作壓力，改善作業(yè)環(huán)境，在老平臺(tái)南北兩側(cè)各安裝、固定1臺(tái)5 t小型定柱式懸臂吊，供現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工。

懸臂吊能否成功應(yīng)用需要考慮多方面因素，包括安裝位置、本體選型設(shè)計(jì)、底座連接設(shè)計(jì)、平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度校核、接觸面強(qiáng)度校核、安裝及使用安全：懸臂吊安裝位置確定，需考慮便于實(shí)施針對(duì)性的吊裝作業(yè)，確保安裝位置處有主梁或者主立柱等主結(jié)構(gòu)；懸臂吊本體設(shè)計(jì)方面，應(yīng)根據(jù)施工需求及實(shí)際操作空間確定吊重、水平行程、回轉(zhuǎn)角度等參數(shù)；從安全性出發(fā)，還應(yīng)考慮增加超重報(bào)警、遠(yuǎn)程遙控等其它附屬技術(shù)性能要求；懸臂吊底座結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)需注意臂吊立柱與底座的連接形式（考慮便于安裝及拆卸）；懸臂吊底座與平臺(tái)主結(jié)構(gòu)的連接形式；懸臂吊使用安全性評(píng)估方面，首先安裝位置處平臺(tái)結(jié)構(gòu)建模加載時(shí)須考慮附近機(jī)械設(shè)備、管線、電氣、儀表等荷載；懸臂吊靜態(tài)及使用2種工況下分別校核分析；懸臂吊底座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；另外，還有懸臂吊的CCS（China Classification Society，中國(guó)船級(jí)社）取證（含本體結(jié)構(gòu)、底座結(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)件）。

詳細(xì)闡述了上述問題的解決方案，特別是在強(qiáng)度核算方面做了充分論證，保證懸臂吊的安裝、安全使用及成功應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)

2.1 懸臂吊本體選型設(shè)計(jì)

考慮到吊裝物大部分屬散料散件，重量較輕、數(shù)量較多，選擇額定起重量為5 t的懸臂吊本體結(jié)構(gòu)及電動(dòng)葫蘆。考慮到垂直吊裝范圍覆蓋至最底層甲板（距離頂層甲板8.5 m處），加上懸臂吊4.5 m的立柱高度，選擇13 m的最大起升高度。為便于物料裝卸與倒運(yùn)，電動(dòng)葫蘆的最大水平行程選擇5 m，且懸臂可繞立柱360°全回轉(zhuǎn)（圖1）。

從施工安全角度出發(fā)，懸臂吊旋轉(zhuǎn)、起升及水平伸縮運(yùn)動(dòng)均增加限位、互鎖功能，并安裝緊急停止按鈕及報(bào)警裝置，起重葫蘆安裝超重報(bào)警裝置。為便于操作維護(hù)，安裝爬梯及照明用投光燈。電機(jī)做防水要求，防護(hù)等級(jí) IP65，電氣接線箱外掛，防護(hù)等級(jí) IP65，電纜為船用電纜，接頭形式使用填料函并加熱塑管，懸臂吊與底座法蘭連接螺栓采用雙頭螺栓，并加裝備母，立柱與主臂焊接永久性吊耳且檢驗(yàn)合格，懸臂吊廠家安排技術(shù)人員配合現(xiàn)場(chǎng)的安裝及調(diào)試作業(yè)?？傊?jīng)過一系列的選型設(shè)計(jì)，基本滿足現(xiàn)場(chǎng)吊裝需求。

圖1 懸臂吊本體選型

2.2 懸臂吊底座設(shè)計(jì)

為便于懸臂吊的安裝與拆卸，底座采用椎970 mm的焊接鋼管作為主結(jié)構(gòu)與甲板梁焊接，上部焊接法蘭盤，采用螺栓緊固的方式與懸臂吊立柱下部的法蘭盤連接，底座結(jié)構(gòu)周圍再利用筋板局部補(bǔ)強(qiáng)（圖2）。

3 校核計(jì)算

圖2 懸臂吊底座受力

利用SACS和ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件相結(jié)合的方式校核分析：對(duì)懸臂吊安裝位置處平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)利用SACS軟件進(jìn)行強(qiáng)度核算，對(duì)懸臂吊底座及甲板接觸面利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析核算，施加荷載時(shí)增大動(dòng)力放大系數(shù)，作最保守分析。

將懸臂吊本身的自重作為靜載荷輸入，正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的彎矩與轉(zhuǎn)矩作為動(dòng)載荷進(jìn)行輸入（圖3）。

3.1 對(duì)安裝位置處平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核計(jì)算

SACS軟件系統(tǒng)是針對(duì)海上固定式結(jié)構(gòu)整體、浮式系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的軟件系統(tǒng)。它包含多個(gè)程序模塊，各程序模塊之間采用文件接口方式連接以方便客戶使用。該系統(tǒng)所有的程序模塊都包含有完整的英制及公制單位缺省工程參數(shù)以簡(jiǎn)化用戶輸入。所有的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如幾何形狀，構(gòu)件尺寸，材料特性以及環(huán)境條件等都通過交互方式輸入并以文件方式存儲(chǔ)。隨后求解程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出最終的求解文件，該文件中包含所有節(jié)點(diǎn)的位移以及單元內(nèi)力。后處理程序使用求解文件中的數(shù)據(jù)，采用相應(yīng)的規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)作規(guī)范校核。不符合規(guī)范要求的部分程序可自動(dòng)進(jìn)行重設(shè)計(jì)。

對(duì)安裝位置處平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)應(yīng)用SACS軟件校核。

考慮平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)自重，所建模區(qū)域處無機(jī)械設(shè)備、管線、電纜、儀表等，所以僅施加活荷載，按照API（American Petroleum Institute，美國(guó)石油學(xué)會(huì)）規(guī)范施加2.5 kN/m2的活荷載；安裝位置附近存在平臺(tái)原有吊機(jī)，按照平臺(tái)方提供的吊機(jī)靜載荷加力；考慮4個(gè)方向的風(fēng)載荷及4個(gè)方向吊裝時(shí)懸臂吊底座受力，包括傳遞轉(zhuǎn)矩的正負(fù)關(guān)系分為CR1—CR8等8種基本工況，因此最終按照如下組合工況逐一核算。

其中，COM1—COM8分別代表組合工況1至組合工況8；DEAD表示平臺(tái)甲板自重，由于是老平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)，取10%的不確定系數(shù)；LIVE表示甲板活荷載，所建原有甲板處無設(shè)備、管線、電纜、儀表等，非設(shè)備區(qū)活荷載按照2.5 kN/m2施加；CRAN表示平臺(tái)原有吊機(jī)靜荷載，按照平臺(tái)方提供的數(shù)據(jù)466 kN（47.55 t）施加；WIN0，WI90，W180 和 W270 分別表示 0°，90°，180°，270°的4個(gè)方向的風(fēng)荷載（考慮1年一遇和100年一遇施加風(fēng)荷載）；CR1—CR8 分別表示 0°，90°，180°，270°的 4 個(gè)方向吊裝時(shí)懸臂吊底座受力，總重量102 kN，總彎矩為300 kN·m，總轉(zhuǎn)矩為28 kN·m（參考圖3），根據(jù)轉(zhuǎn)矩正負(fù)關(guān)系及4個(gè)方向分別對(duì)應(yīng)CR1—CR8的8種工況。

圖3 懸臂吊底座受力示意

采用JOINT LOAD施加，3軸為概念性軸，實(shí)際不存在。為了施加荷載，在相應(yīng)位置建立虛擬桿件，在桿件節(jié)點(diǎn)處施加懸臂吊動(dòng)載荷。

根據(jù)海上施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，懸臂吊設(shè)置在平臺(tái)北側(cè)3軸附近，中心位于3軸上，距離D-2軸700 mm。建模區(qū)域?yàn)镃軸至D-2軸，2-2軸到4-a軸之間，EL.（+）24 194和EL.（+）28 094兩層甲板。兩層甲板之間的立柱底部節(jié)點(diǎn)自由度設(shè)為（111111）（圖 4）。

圖4 平臺(tái)局部3D示意

通過SACS軟件建模加載計(jì)算，結(jié)果顯示僅在第一種組合工況下存在某一桿件強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，即桿件C1-2UC值>1.0，將此型鋼加強(qiáng)成箱型梁后再次試算，UC結(jié)果值滿足API規(guī)范要求（圖 5）。

結(jié)果顯示，平臺(tái)整體位移不大，最大位移量出現(xiàn)在C3號(hào)節(jié)點(diǎn)，為9.385 9 cm，且出現(xiàn)在COM8工況下。由于C3點(diǎn)不是實(shí)際存在的點(diǎn)，其位移由兩側(cè)型鋼共同承擔(dān)。

3.2 對(duì)懸臂吊底座及甲板接觸面進(jìn)行校核計(jì)算

有限元分析（Finite Ele-ment Analysis，F(xiàn)EA）是對(duì)于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它是20世紀(jì)50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域—飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等問題。目前，該方法已經(jīng)應(yīng)用于水工、土建、橋梁、機(jī)械、電機(jī)、冶金、造船、飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇航、核能、地震、物探、氣象、滲流、水聲、力學(xué)、物理學(xué)等，幾乎所有的科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域?；谟邢拊治鏊惴ň幹频能浖?，即所謂的有限元分析軟件，如ANSYS軟件。

通過ANSYS有限元分析軟件模擬懸臂吊底座受力情況，在ANSYS中采用shell 181單元對(duì)懸臂吊底座進(jìn)行模擬計(jì)算。

通過建立接觸點(diǎn)PILOT，模擬懸臂吊底座立柱與平臺(tái)甲板梁的接觸，在模擬點(diǎn)上施加載荷。增加懸臂吊底座重量Fz=-（102+2.27）=-104.27 kN，My=300 kN，Mz=-28 kN。將平臺(tái)甲板梁有豎向支撐的位置固定Z方向位移，將水平梁固定其軸向位移（圖 6～圖 8）。

圖5 加強(qiáng)成BOX箱型截面

結(jié)果顯示，新增節(jié)點(diǎn)及平臺(tái)原有節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求，即懸臂吊底座下方平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求（表1）。其中，T為鋼板的臂厚。

4 結(jié)束語

埕北油田設(shè)備設(shè)施整體升級(jí)改造項(xiàng)目是迄今為止國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的海上老油田改造工程項(xiàng)目，涉及平臺(tái)數(shù)和專業(yè)門類最多，停產(chǎn)時(shí)間最長(zhǎng)，改造工作量最大，而應(yīng)用多臺(tái)小型定柱式懸臂吊輔助海上老平臺(tái)改造施工在國(guó)內(nèi)也實(shí)屬首例。改造施工期間，特別是在油田關(guān)斷、停產(chǎn)期間，4臺(tái)小型定柱式懸臂吊得到了充分利用，大大改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，僅在工程拆除階段就節(jié)省了10 d關(guān)鍵工期，節(jié)省132.405萬元人民幣費(fèi)用，降本增效成果顯著。此外，懸臂吊安裝位置選擇、本體選型設(shè)計(jì)、底座強(qiáng)度核算、平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度核算等問題的解決方案，保證了懸臂吊的安裝及使用安全，為類似工程項(xiàng)目提供了成功的借鑒作用。

圖6 接觸面ANSYS有限元模型

圖7 Misses整體應(yīng)力云圖

表1 ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果

圖8 新增補(bǔ)強(qiáng)鋼板應(yīng)力云圖

在當(dāng)前國(guó)際石油行業(yè)低迷的大環(huán)境下，從油田投資開發(fā)及回收的經(jīng)濟(jì)性考慮，未來一段時(shí)間內(nèi)，各大石油公司極有可能放緩新油田開發(fā)的步伐，將更多目光聚焦在老油田二次升級(jí)改造或拆除與棄置方面，一般會(huì)遭遇老平臺(tái)吊裝資源匱乏、吊裝裝備老化且吊裝任務(wù)巨大的壓力。這時(shí)，可以考慮借鑒埕北改造項(xiàng)目采取利用多臺(tái)小型懸臂吊輔助海上吊裝作業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到節(jié)能增效的目的。