海上平臺(tái)大型儲(chǔ)罐整體吊裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孫道青，邊大勇，盛向明，李 沙，王智宇，邵升宇

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

某海上平臺(tái)大型原油儲(chǔ)罐需要進(jìn)行陸地整體建造，海上整體安裝。儲(chǔ)罐屬于環(huán)肋薄壁結(jié)構(gòu)，罐壁板薄[1]，罐體易徑向變形，整體吊裝難度大；儲(chǔ)罐罐底板面積大，吊裝時(shí)也容易產(chǎn)生變形。儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[2]，但國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)未給出針對(duì)儲(chǔ)罐整體吊裝及底板加強(qiáng)的論述，本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)儲(chǔ)罐的吊耳和吊裝框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止儲(chǔ)罐罐壁徑向變形；對(duì)罐底板的加強(qiáng)形式進(jìn)行了分析，提出了合理的加強(qiáng)設(shè)計(jì)方案，規(guī)避了海上拆除加強(qiáng)附件的額外工作量，控制了儲(chǔ)罐底板的變形，保證了項(xiàng)目的順利實(shí)施。比對(duì)理論計(jì)算與實(shí)際數(shù)據(jù)，證明了設(shè)計(jì)成果的正確性，也表明本項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能夠滿足大型儲(chǔ)罐的吊裝要求。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

原油儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)容量為2 000 m3，罐體的總體簡(jiǎn)圖見圖1，儲(chǔ)罐為常壓式，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 儲(chǔ)罐罐體總體簡(jiǎn)圖

表1 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 吊耳設(shè)計(jì)

儲(chǔ)罐屬于薄壁結(jié)構(gòu)，整體吊裝的生根點(diǎn)及吊耳的設(shè)計(jì)至關(guān)重要[3-5]。單個(gè)吊耳設(shè)計(jì)承載質(zhì)量為30 t，按照化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)[6]，選取對(duì)應(yīng)的30 t吊耳。通過分析認(rèn)為，對(duì)于此種結(jié)構(gòu)，雖然吊耳本身的強(qiáng)度能夠滿足要求，但罐體本身應(yīng)力較大，不能滿足要求，為此對(duì)吊耳進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大了吊耳本體及吊耳墊板的尺寸，優(yōu)化后的吊耳設(shè)計(jì)如圖2所示。吊耳設(shè)計(jì)優(yōu)化后，計(jì)算結(jié)果表明罐體本身及吊耳強(qiáng)度均滿足了吊裝要求。

圖2 優(yōu)化后30 t吊耳設(shè)計(jì)尺寸

2.2 吊裝框架設(shè)計(jì)

為防止罐體的徑向變形，本次吊裝設(shè)計(jì)采用吊裝框架[7]，吊裝框架上部采用四根索具與浮吊吊鉤連接，下部采用四根索具與罐體垂直連接，對(duì)吊裝框架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算，吊鉤和框架模型的節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 鉤及框架模型節(jié)點(diǎn)

（1）載荷工況?？紤]模擬吊裝狀態(tài)，對(duì)框架底部吊耳設(shè)置為垂向鉸接點(diǎn)。吊鉤節(jié)點(diǎn)0005設(shè)為鉸接，根據(jù)施加的力為垂向力，則0011、0013、0015、0017節(jié)點(diǎn)平均載荷為298.68 kN。本工況按照API RP 2A規(guī)范選取動(dòng)力放大系數(shù)1.35，則載荷為L(zhǎng)CM1=1.35×（LC1+G），式中G為框架自重，LC1為罐體重量。

（2） 計(jì)算結(jié)果。本工況下程序輸出的桿件UC值（應(yīng)力比）如表2所示。

表2 吊裝框架桿件UC值計(jì)算結(jié)果

從表2可以看出，吊裝框架桿件的應(yīng)力比值均小于1，因此框架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 罐底板加強(qiáng)設(shè)計(jì)

對(duì)于罐底板的加強(qiáng)提出了兩種方案，方案一為罐底網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方式[8-11]，方案二為T型加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)。以下對(duì)這兩種方案進(jìn)行分析和比對(duì)。

（1）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式（方案一）。此種加強(qiáng)方案是在罐體內(nèi)部布置大量的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，采用長(zhǎng)的鋼管作為主支撐連接罐底部和罐壁，利用短鋼管連接罐底板和較長(zhǎng)鋼管，長(zhǎng)鋼管之間再連接在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到加強(qiáng)整個(gè)罐底部的目的。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式如圖4所示。

圖4 罐底的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式

要完成上述加強(qiáng)工作，需要搭設(shè)大量腳手架，且該加強(qiáng)結(jié)構(gòu)需要對(duì)罐底和罐壁進(jìn)行焊接。儲(chǔ)罐吊裝完成后，為了拆除上述網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同樣需要在海上進(jìn)行動(dòng)火作業(yè)和腳手架搭設(shè)作業(yè)，工作量較大且風(fēng)險(xiǎn)較高。

（2） T型加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)（方案二）。T型梁結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式是考慮到了T型梁具有良好的抗彎能力，在儲(chǔ)罐底部增加與罐體底部焊接的十字交叉T型梁，其加強(qiáng)形式如圖5所示。

圖5 罐底T型梁結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式

考慮到儲(chǔ)罐內(nèi)部有加熱盤管，對(duì)T型梁進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，T型梁側(cè)面開設(shè)直徑為50 mm的圓孔，以確保加熱盤管順利通過；另外，考慮到液體在底部流通等因素，在梁的底部開設(shè)導(dǎo)流孔；T型梁的高度也進(jìn)行了有效優(yōu)化，以達(dá)到該結(jié)構(gòu)物在儲(chǔ)罐吊裝就位后，不用拆除，且不妨礙操作的目的。開設(shè)的孔均在應(yīng)力分析時(shí)一并建模分析。

（3）方案比對(duì)。針對(duì)上述兩種方案，進(jìn)行了詳細(xì)比對(duì)，其優(yōu)缺點(diǎn)見表3。

表3 方案比對(duì)

由表3的比較得出，采用十字交叉T型梁加強(qiáng)方式在現(xiàn)場(chǎng)施工工作量、安全性等方面更具有優(yōu)勢(shì)，而采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)則在設(shè)計(jì)成熟度上優(yōu)于T型梁結(jié)構(gòu)。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)情況，最終選擇了方案二進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的罐底加強(qiáng)施工。

3 結(jié)果驗(yàn)證

采用方案二結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，T型梁的高度為570 mm，頂部翼緣寬度為200 mm，鋼板厚度為20 mm，材質(zhì)為Q235B，許用應(yīng)力為150 MPa。其三維設(shè)計(jì)圖見圖6。

圖6 T型梁三維設(shè)計(jì)圖

鑒于采用有限元軟件能夠提高計(jì)算效率和精度[12-14]，因此采用有限元軟件對(duì)方案二的罐底加強(qiáng)方案進(jìn)行分析計(jì)算。采用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)罐體進(jìn)行整體建模，模型包括罐體、吊耳以及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

（1）荷載及荷載組合。載荷按照三種工況進(jìn)行加載：工況一為自重，工況二考慮1.35倍動(dòng)力放大系數(shù)，工況三考慮2.0倍動(dòng)力放大系數(shù)。

（2）邊界條件。吊裝框架為剛性結(jié)構(gòu)，模型中將儲(chǔ)罐吊耳軸孔設(shè)置為鉸接固定，在罐體水平方向施加彈簧約束，模擬了罐體的吊裝狀態(tài)，以核對(duì)罐體的強(qiáng)度。

（3）計(jì)算結(jié)果。取工況三的結(jié)果進(jìn)行分析，得到的罐體整體形變?nèi)鐖D7所示，應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖7 罐體形變圖/mm

圖8 罐體應(yīng)力云圖/MPa

從圖7、圖8中可以看出，儲(chǔ)罐最大等效應(yīng)力為80.22 MPa，小于Q235B材料的許用應(yīng)力值150 MPa，罐底經(jīng)過加強(qiáng)，最大變形位于底板中心區(qū)域，最大形變?yōu)?2.17 mm，罐底強(qiáng)度和形變滿足要求。

在理論計(jì)算滿足要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行了整體吊裝。吊裝過程中儲(chǔ)罐底板經(jīng)肉眼觀測(cè)無明顯變形，驗(yàn)證了加強(qiáng)方案的可行性。儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)吊裝情況見圖9。

圖9 儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)吊裝情況

4 結(jié)論

對(duì)于大型儲(chǔ)罐的整體吊裝，采用本文設(shè)計(jì)的吊耳和吊裝框架形式，能夠滿足罐體的吊裝要求。對(duì)于罐體底板的加強(qiáng)，采用十字交叉T型梁的加強(qiáng)方式，結(jié)構(gòu)變形量較小，應(yīng)力不大，能夠較好地解決大型儲(chǔ)罐底板的吊裝變形問題；且采用此種方式，可以實(shí)現(xiàn)免除結(jié)構(gòu)拆卸、免除動(dòng)火和免除搭設(shè)大量腳手架的較理想工況，為項(xiàng)目的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。此種加強(qiáng)方案可為其他大型結(jié)構(gòu)吊裝提供參考。