導(dǎo)向與補(bǔ)償結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真及優(yōu)化

廖佩詩(shī) 戴 昆 王所國(guó) 王超穎 王 旭

（青島賽普克有限元科技發(fā)展有限公司，山東 青島 266000）

0 前言

1960—2020 年，全球已至少建造了7 000 座石油生產(chǎn)設(shè)施[1]，隨著油田開采時(shí)間的推移，部分海上油田因產(chǎn)量過(guò)低（達(dá)到終止開采的條件）而被廢棄。廢棄鉆井平臺(tái)給海洋環(huán)境、海上交通以及國(guó)防等帶來(lái)了較大的潛在危害[2]。世界各國(guó)都先后制定了相關(guān)的法律法規(guī)，對(duì)廢棄平臺(tái)及井筒等海洋油氣設(shè)施進(jìn)行拆除，實(shí)現(xiàn)永久封井[3]。一般來(lái)說(shuō)，海上油氣生產(chǎn)設(shè)施主要包括海上油井、氣井、水井、固定平臺(tái)、人工島、單點(diǎn)系泊、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置、海底電纜、管道、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、陸岸終端以及其他水上、水下油氣生產(chǎn)的相關(guān)輔助配套設(shè)施。處置方式包括廢棄處置、延壽使用以及改造他用3 種。需要根據(jù)海洋平臺(tái)的具體情況選擇不同的廢氣處理方式，如果平臺(tái)妨礙了海洋主導(dǎo)功能的使用，就必須全部拆除。拆除海上廢棄平臺(tái)是一項(xiàng)涵蓋范圍較廣的綜合性系統(tǒng)工程，目前已成為一門新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)[4]。

如圖1 所示，超大型海上油田設(shè)施一體化拆解裝備由2艘起重船和1 艘半潛運(yùn)輸船組成，每艘起重船都配備了舉升系統(tǒng)，其具有橫向、縱向和垂向的補(bǔ)償能力。

圖1 拆解作業(yè)系統(tǒng)示意圖

作業(yè)時(shí)，首先，2 艘起重船分別靠近被拆解鉆井平臺(tái)，使用動(dòng)力定位系統(tǒng)將船體穩(wěn)定在工作位置，通過(guò)壓載方式將船體調(diào)整到合適的作業(yè)高度；其次，伸出舉升臂并通過(guò)夾緊裝置固定導(dǎo)管架；再次，通過(guò)垂向位移補(bǔ)償系統(tǒng)向上托舉平臺(tái)，使鉆井平臺(tái)載荷轉(zhuǎn)移到舉升臂上，此時(shí)，可開始導(dǎo)管架切割作業(yè)，待作業(yè)完成后，起重船排出壓載水，實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)的托舉；最后，2 艘起重船共同將被拆解平臺(tái)轉(zhuǎn)移至運(yùn)輸船，拆解和轉(zhuǎn)運(yùn)工作完成。

1 分析對(duì)象介紹

如圖2 所示，舉升系統(tǒng)由前后基座、前后支撐裝置、舉升臂、夾緊及補(bǔ)償裝置組成。舉升系統(tǒng)既可單臂作業(yè)也可雙臂聯(lián)合作業(yè)。舉升系統(tǒng)整體安裝在甲板上，其中前后基座分布在船的左右舷位置。舉升系統(tǒng)具體參數(shù)（見表1）如下：舉升臂總長(zhǎng)度為69.0 m，寬度為6.5 m，總高度為10.0 m，單臂作業(yè)的承載能力為3 000 t，雙臂作業(yè)時(shí)每個(gè)舉升臂的承載能力為2 500 t。

圖2 舉升系統(tǒng)示意圖

表1 舉升系統(tǒng)參數(shù)表

舉升系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，舉升臂伸出并到達(dá)樁腿位置，舉升頭中的夾緊裝置環(huán)抱住導(dǎo)管架樁腿。隨后，三角舉升機(jī)構(gòu)的舉升液壓缸開始伸出（如圖3 所示），在連桿機(jī)構(gòu)的作用下，液壓缸推動(dòng)三角形杠桿機(jī)構(gòu)圍繞鉸點(diǎn)進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，三角形杠桿機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)舉升頭結(jié)構(gòu)向上舉升；同時(shí)，橫向補(bǔ)償裝置開始運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)償由于連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)造成的舉升頭橫向位移，保證其無(wú)橫向位移。在波浪的作用下，平臺(tái)發(fā)生的垂向位移也由垂向位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)（如圖3 所示）通過(guò)控制油缸的伸縮進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3 垂向位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)示意圖

隨著舉升力的增加，平臺(tái)載荷慢慢轉(zhuǎn)移至舉升臂，進(jìn)而安全地、快速地分離被拆解平臺(tái)與導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)。

在整個(gè)舉升過(guò)程中，舉升頭結(jié)構(gòu)沿導(dǎo)軌的行程與最大波浪的高度相同，在舉升過(guò)程中以及上部模塊完全放置到目標(biāo)船之前，通過(guò)夾緊及補(bǔ)償裝置處的液壓缸進(jìn)行動(dòng)態(tài)波浪補(bǔ)償，避免在風(fēng)、浪和流的作用下，導(dǎo)致導(dǎo)管架平臺(tái)的上部模塊隨著船的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)導(dǎo)管架平臺(tái)上部模塊的底部與導(dǎo)管架垂向分離至設(shè)計(jì)高度時(shí)，停止舉升，并利用位移控制系統(tǒng)使2 艘起重船向前移動(dòng)，駛向運(yùn)輸船，然后通過(guò)舉升臂端部裝置將平臺(tái)上部模塊平穩(wěn)地放置在第三艘運(yùn)輸船上，由第三艘運(yùn)輸船運(yùn)回上部模塊。

2 有限元建模

2.1 定義材料參數(shù)

模型中滾輪及軌道使用42CrMo 鋼，其他主體框架結(jié)構(gòu)采用S355 鋼，模型使用線彈性材料本構(gòu)模型，材料參數(shù)見表2[5]。

表2 材料參數(shù)列表

2.2 有限元模型介紹

如圖4 所示，有限元模型中的舉升臂框架、前后支撐裝置框架以及基座框架均使用殼單元進(jìn)行模擬。滾輪、補(bǔ)償裝置以及軌道等使用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，為了在控制整體網(wǎng)格數(shù)量的同時(shí)，保證輪軌接觸的模擬精度，需要對(duì)輪軌接觸部位的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。

圖4 整體有限元模型

該分析模型中共包括13 處輪軌接觸承載區(qū)域，在進(jìn)行拆解作業(yè)時(shí)，主要依靠這些部位的輪軌接觸固定舉升臂，因此需要建立滾輪與軌道之間的滑動(dòng)接觸，模擬真實(shí)的輪軌接觸狀態(tài)。在各個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的關(guān)節(jié)部位建立鉸接單元，保證其具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

由于夾緊及舉升裝置對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響不大，因此該分析中省去該結(jié)構(gòu)。在其與舉升臂安裝孔位置建立鉸接單元及剛性連接，模擬該結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償系統(tǒng)的連接和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，保證結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與實(shí)際一致。

2.3 邊界條件

圖2 中，前后基座底部均焊接在起重船的甲板上，仿真模型中對(duì)基座底部施加全位移約束；同時(shí)，模型中省略了夾緊裝置，通過(guò)剛性連接將加載點(diǎn)位置的載荷傳遞到連桿上。

舉升裝置分為單臂支撐和雙臂支撐。單臂支撐作業(yè)時(shí)，其加載點(diǎn)位于舉升臂的中軸線上；雙臂支撐作業(yè)時(shí)，2 條舉升臂共同承受載荷，其加載點(diǎn)位于2 條舉升臂的中間位置。單臂作業(yè)時(shí)，單個(gè)舉升臂受到的最大額定載荷為3 000 t；雙臂作業(yè)時(shí)，由于加載點(diǎn)偏移到，2 個(gè)舉升臂的中間位置，產(chǎn)生了額外的彎矩載荷，因此單個(gè)舉升臂受到的最大載荷為2 500 t。

3 分析工況

舉升裝置有單臂或雙臂2 種作業(yè)形式，舉升臂可以在距離船舷4 m～16 m 的范圍內(nèi)伸縮，補(bǔ)償裝置垂向補(bǔ)償范圍為-2.5 m～2.5 m?；趯?dǎo)向與補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的幾種典型作業(yè)工況，分別以舉升臂的伸出長(zhǎng)度、補(bǔ)償高度以及舉升臂的作業(yè)形式為變量進(jìn)行組合，形成相關(guān)的工況列表，見表3。

4 仿真分析結(jié)果

使用有限元仿真分析軟件對(duì)表3 中的各個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，并提取整體位移和舉升臂、前后支撐結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力為指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，從而確定最危險(xiǎn)的使用工況。

表3 仿真分析工況列表

經(jīng)過(guò)對(duì)各部件等效應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各工況仿真分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，見表4。通過(guò)分析結(jié)果可知，舉升臂伸出長(zhǎng)度為4.0 m 時(shí)，后支撐裝置主要由下部輪軌位置承受載荷；舉升臂伸出長(zhǎng)度為16.0 m 時(shí)，舉升臂尾部有向上翹起的趨勢(shì)，主要由舉升臂上部輪軌的接觸位置承受載荷。通過(guò)綜合對(duì)比，工況6（單臂承載，舉升臂伸出長(zhǎng)度為16.0 m，向上補(bǔ)償2.5 m）的結(jié)構(gòu)變形最大、各處的應(yīng)力最大，因此判定結(jié)構(gòu)在該工況下最危險(xiǎn)，后續(xù)將以工況6 為邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

表4 各工況仿真分析結(jié)果

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

依據(jù)舉升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，舉升臂伸出時(shí)后支撐裝置上部滾輪位置受到的載荷最大。在吊耳位置產(chǎn)生了應(yīng)力集中，為保證該處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。須對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將兩端吊耳中部支撐的結(jié)構(gòu)修改為如圖5 所示的由6 個(gè)液壓支撐的裝置，一方面能夠保證有足夠的支撐強(qiáng)度，另一方面可通過(guò)油缸進(jìn)行載荷微調(diào)，避免發(fā)生偏載現(xiàn)象。

圖5 后支撐位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

舉升臂的主臂結(jié)構(gòu)主要由前部輪軌的接觸部位來(lái)承受載荷。從仿真計(jì)算結(jié)果可知，舉升臂后部應(yīng)力較小，因此需要對(duì)后部腹板、翼板等進(jìn)行減薄處理，同時(shí)加厚應(yīng)力較大的油缸座安裝孔處的材料。同時(shí)，在后支撐裝置滾輪安裝座附近增加隔板，提高安裝座位置的支撐強(qiáng)度，使載荷分布均勻，避免局部應(yīng)力集中造成結(jié)構(gòu)失效的問(wèn)題。

通過(guò)上述減重優(yōu)化，設(shè)備減重8.4%。優(yōu)化前后整體位移及舉升臂、前后支撐裝置應(yīng)力結(jié)果對(duì)比見表5。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的各部件應(yīng)力均有不同程度的降低，后部支撐裝置應(yīng)力下降最明顯。

表5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后計(jì)算結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)有限元仿真方法對(duì)超大型海上油田設(shè)施一體化拆解作業(yè)裝備導(dǎo)向與補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的12 種作業(yè)工況進(jìn)行仿真，得到強(qiáng)度仿真應(yīng)力及變形結(jié)果。通過(guò)對(duì)比關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，確定最危險(xiǎn)的工況及危險(xiǎn)位置。

通過(guò)應(yīng)力分布云圖確定了結(jié)構(gòu)最薄弱位置為后支撐裝置上部吊耳位置。對(duì)該處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用液壓柔性支撐結(jié)構(gòu)代替原來(lái)的機(jī)械支撐，提升了該處的安全性。同時(shí)，通過(guò)舉升臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖確定了舉升臂后部應(yīng)力水平相對(duì)較低，具有較大的減重空間，因此對(duì)舉升臂中安全系數(shù)較大的腹板及翼板進(jìn)行減薄，優(yōu)化后設(shè)備減重8.4%。

海上石油項(xiàng)目開發(fā)和生產(chǎn)完成后，安全有效地處置設(shè)備設(shè)施就成了石油從業(yè)者必須要面對(duì)的問(wèn)題，它關(guān)系到整個(gè)海上石油勘探開發(fā)項(xiàng)目的成敗，應(yīng)予以高度重視。該項(xiàng)目通過(guò)使用有限元仿真分析方法對(duì)各種工況進(jìn)行模擬，可以在設(shè)計(jì)階段快速校核超大型海上油田設(shè)施一體化拆解裝備舉升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)還可以通過(guò)應(yīng)力分布情況確定設(shè)備減重優(yōu)化的潛能，為減重優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，并提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。