大型導(dǎo)管架海上吊裝框架結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)研究

劉 瑞

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

隨著海上油氣開(kāi)發(fā)的不斷發(fā)展,海洋石油平臺(tái)數(shù)量不斷增多,規(guī)模也越來(lái)越大。以浮托法安裝的組塊為代表,海上平臺(tái)正在向集約化大型化方向發(fā)展[1],上部組塊的安裝重量通常上萬(wàn)噸,隨著水深的增加以及上部組塊重量的增加,作為上部組塊支撐結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管架安裝重量也相應(yīng)增加。中國(guó)大型浮托平臺(tái)開(kāi)發(fā)多集中在渤海和南海海域,渤海海域?qū)Ч芗茏鳂I(yè)水深一般不超過(guò)30 m,導(dǎo)管架重量不超過(guò)3 000 t,通常采用設(shè)置水下吊點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)管架海上安裝,吊點(diǎn)一般位于主腿第一水平層下方位置附近,該位置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度容易滿(mǎn)足吊裝強(qiáng)度要求,且可以避免浮托船舶干擾,以往項(xiàng)目采用眼板式吊點(diǎn)形式[2-5]。南海海域?qū)Ч芗茏鳂I(yè)水深一般超過(guò)100 m,導(dǎo)管架重量在萬(wàn)噸以上,通常采用滑移下水、小浮吊輔助扶正的方式進(jìn)行海上安裝。

在中國(guó)海洋石油國(guó)際化發(fā)展的大背景下,近年來(lái)國(guó)內(nèi)油氣開(kāi)發(fā)公司積極承攬國(guó)際項(xiàng)目。而國(guó)外海洋石油平臺(tái)所在海域的水深及土壤地質(zhì)數(shù)據(jù)同國(guó)內(nèi)差異很大,海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)也不盡相同。中東阿拉伯灣海域水深約50 m,大型8腿浮托平臺(tái)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)重量在6 000 t以上,如采用水下吊點(diǎn)的吊裝方案,因重量較大,吊繩力也會(huì)相應(yīng)增大,需要選用超大規(guī)格的液壓卡環(huán),費(fèi)用較高,超大吊繩力有可能使液壓卡環(huán)失效導(dǎo)致吊繩不能及時(shí)解脫,技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大;另外,常規(guī)板式吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式因主板厚度限制設(shè)計(jì)難度大。而滑移下水方案相較吊裝下水方案對(duì)浮力要求高,往往需要被迫增加導(dǎo)管架桿件直徑和增加臨時(shí)浮筒的方式來(lái)滿(mǎn)足安裝對(duì)浮力的要求,另外還需要增加注水系統(tǒng)和下水桁架等結(jié)構(gòu),用鋼量較大,建造和安裝過(guò)程復(fù)雜,經(jīng)濟(jì)性差。因此對(duì)于這類(lèi)大型導(dǎo)管架結(jié)構(gòu),開(kāi)發(fā)一種既能滿(mǎn)足技術(shù)可行性要求,又能保證經(jīng)濟(jì)性的海上安裝方案顯得尤為必要。

本文針對(duì)6 700噸級(jí)的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu),提出了一種吊裝框架方案用于導(dǎo)管架海上吊裝,基于SACS軟件計(jì)算及ANSYS軟件有限元分析對(duì)吊裝框架的整體、局部強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析,驗(yàn)證了技術(shù)可行性,該方案能較好解決上述存在問(wèn)題,可實(shí)施性強(qiáng)。

1 吊裝框架設(shè)計(jì)及施工方案

1.1 設(shè)計(jì)方案

以某大型8腿浮托平臺(tái)導(dǎo)管架為例,所在海域?qū)Ч芗茏鳂I(yè)水深52 m,吊裝重量約6 700 t。

吊裝框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1,其四個(gè)立柱焊接在導(dǎo)管架主腿頂部,與導(dǎo)管架形成一個(gè)整體,增強(qiáng)吊裝時(shí)整體受力性能。吊裝框架主結(jié)構(gòu)以單向的受彎為主,故主結(jié)構(gòu)梁采用組合梁的截面形式,長(zhǎng)跨方向彎矩較大,選用組合梁規(guī)格較大,短跨方向的組合梁可選用相對(duì)較小規(guī)格,主梁和立柱采用環(huán)板連接,結(jié)構(gòu)梁的規(guī)格由吊裝計(jì)算確定。中部20 m范圍內(nèi)布置小梁和甲板,用于放置吊裝索具,兼具實(shí)現(xiàn)索具平臺(tái)的功能。和以往水下吊點(diǎn)方案相比,因未單獨(dú)設(shè)置索具平臺(tái)節(jié)省了鋼材用量,也減少了相關(guān)建造和海上安裝工作量以及船舶資源的占用,經(jīng)濟(jì)效益明顯。邊緣布置小梁及甲板,作為走道滿(mǎn)足吊點(diǎn)索具安裝及拆卸的操作需求。

a)俯視圖a)Top view

吊裝框架頂部設(shè)置耳軸式吊點(diǎn)結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖2。耳軸式吊點(diǎn)一般用于較大型結(jié)構(gòu)物吊裝[6-9],通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。

圖2 耳軸式吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Trunnion structure

1.2 吊裝框架施工方案

吊裝框架建造及導(dǎo)管架海上安裝流程見(jiàn)圖3。

圖3 吊裝框架建造及導(dǎo)管架海上安裝流程圖Fig.3 Flowchart of lifting frame constructionand jacket offshore installation

在安裝過(guò)程中,需要注意以下幾點(diǎn)。

1) 導(dǎo)管架建造時(shí),導(dǎo)管架主腿頂部需要和吊裝框架進(jìn)行焊接完成總裝,在吊裝框架海上切割后,導(dǎo)管架頂部需要和皇冠板進(jìn)行焊接,為解決導(dǎo)管架主腿頂部焊接時(shí)的焊縫返修問(wèn)題,在建造過(guò)程中導(dǎo)管架主腿頂部標(biāo)高位于海上切割150 mm處(見(jiàn)圖2),吊裝框架立柱底部的設(shè)計(jì)標(biāo)高相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

2) 吊裝框架和導(dǎo)管架對(duì)接時(shí),需要設(shè)計(jì)插尖等導(dǎo)向裝置,以滿(mǎn)足對(duì)接精度要求。本文吊裝框架重約400 t,重量較大且吊管架高度較高,需要選用合適的履帶吊以滿(mǎn)足吊裝能力要求,必要時(shí)可以選用多臺(tái)履帶吊聯(lián)合作業(yè)完成其和導(dǎo)管架的總裝。

2 方案比選

吊裝框架方案和常規(guī)水下吊點(diǎn)方案對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 吊裝方案比選表

由表1可知,吊裝框架方案的鋼材用量比水下吊點(diǎn)方案約多80 t,但節(jié)省了4套2 500 t級(jí)液壓卡環(huán)的采辦費(fèi)用,整體費(fèi)用節(jié)省數(shù)百萬(wàn)元。相比水下吊點(diǎn)方案,吊裝框架方案不適用液壓卡環(huán),避免了因液壓卡環(huán)失效導(dǎo)致摘扣困難的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),且吊點(diǎn)位于海面以上,施工人員通過(guò)框架上的走道可以直達(dá)吊點(diǎn)位置,吊繩摘扣作業(yè)簡(jiǎn)單,施工風(fēng)險(xiǎn)小。

吊裝框架為整體預(yù)制,然后再通過(guò)履帶吊吊裝完成與導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)的對(duì)接,預(yù)制工作可以和其他建造作業(yè)同步進(jìn)行,不會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目整體工期的增加。海上安裝結(jié)束后,吊裝框架方案需要進(jìn)行框架的拆除,而水下吊點(diǎn)方案需要對(duì)索具平臺(tái)進(jìn)行拆除,海上安裝時(shí)兩者的工期相當(dāng)。

綜上所述,吊裝框架方案和水下吊點(diǎn)方案相比,兩種方案施工工期相當(dāng),但是吊裝框架方案可節(jié)省費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)性更好,實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)更小。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 計(jì)算模型

采用SACS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模及計(jì)算,SACS結(jié)構(gòu)模型包括吊裝框架和導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)兩部分，附屬結(jié)構(gòu)以荷載形式加載到結(jié)構(gòu)模型對(duì)應(yīng)的桿件和節(jié)點(diǎn)上，吊鉤位置為固定約束，吊繩只承受軸向拉力的屬性通過(guò)對(duì)桿件進(jìn)行桿端約束釋放來(lái)模擬。在導(dǎo)管架主腿底部節(jié)點(diǎn)設(shè)置軟彈簧約束,計(jì)算所得彈簧力需小于1 kN,吊裝SACS模型見(jiàn)圖4。

圖4 吊裝SACS模型Fig.4 Lifting SACS model

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)API RP 2A-WSD Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design規(guī)范規(guī)定,在開(kāi)敞海域,對(duì)于吊點(diǎn)以及吊點(diǎn)相連的主要桿件,應(yīng)采用最小2.0倍動(dòng)荷載系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核,對(duì)于其他桿件應(yīng)采用最小1.35倍動(dòng)荷載系數(shù),吊點(diǎn)位于導(dǎo)管架重心正上方位置,吊繩和水平方向的夾角需滿(mǎn)足最小60°要求[10-13]。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)對(duì)吊裝框架以及導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，計(jì)算結(jié)果顯示，在2.0倍動(dòng)荷載工況下,和吊點(diǎn)相連桿件的最大應(yīng)力比為0.98,位于吊裝框架立柱位置。在1.35倍荷載工況下,最大桿件應(yīng)力比為0.86,位于導(dǎo)管架主腿位置。所有桿件的應(yīng)力比均小于1,吊裝框架的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求[14-17]。

從SACS軟件吊裝分析結(jié)果中可以得到各吊繩力值,見(jiàn)表2。其中,桿件F014-S001對(duì)應(yīng)的吊繩力最大,為45 528 kN,后面將以此吊點(diǎn)為例,對(duì)吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

表2 吊繩力計(jì)算結(jié)果表

吊裝分析計(jì)算結(jié)果顯示，節(jié)點(diǎn)001L處的彈簧力最大，x向?yàn)?.078 kN，y向?yàn)?.004 kN，均小于1 kN滿(mǎn)足要求。由此可知，吊裝分析沒(méi)有明顯側(cè)向位移,計(jì)算過(guò)程合理。

4 耳軸式吊點(diǎn)有限元分析

4.1 計(jì)算模型

根據(jù)桿件F014-S001吊裝計(jì)算中最大吊繩力，進(jìn)行耳軸式吊點(diǎn)設(shè)計(jì),由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則,故采用有限元進(jìn)行模擬計(jì)算。吊點(diǎn)有限元模型見(jiàn)圖5,單元類(lèi)型采用SLOID實(shí)體單元。在耳軸及和立柱相連位置應(yīng)力較大,為重點(diǎn)關(guān)注位置,這些位置采用致密網(wǎng)格,網(wǎng)格大小取0.5倍的板厚來(lái)劃分單元。在其余位置采用稀疏網(wǎng)格,采用2倍板厚來(lái)劃分網(wǎng)格,以提高計(jì)算效率。

圖5 耳軸式吊點(diǎn)有限元模型圖Fig.5 Finite element model of trunnion

和立柱相連的主梁遠(yuǎn)端處以及立柱底部為固接約束。根據(jù)吊繩力計(jì)算結(jié)果,保守取46 000 kN作為耳軸式吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載,吊繩角度60°。假設(shè)吊繩力按余弦分布作用在與立柱和耳軸相連的圓環(huán)接觸面上,且接觸面上各節(jié)點(diǎn)的受力平行于吊繩作用方向[4],見(jiàn)圖6。材料的彈性模量取2.06×105MPa,泊松比取0.3,材料屈服強(qiáng)度為355 MPa,許用應(yīng)力按0.9倍的屈服強(qiáng)度即320 MPa取用[18-20]。

a)側(cè)視圖a)Side view

b)俯視圖b)Top view

4.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到的吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖7,計(jì)算結(jié)果顯示,最大馮·米賽斯應(yīng)力為291 MPa,位于耳軸和立柱的連接處,小于許用應(yīng)力320 MPa,耳軸式吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

圖7 耳軸式吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.7 Stress contour of trunnion structure

5 結(jié)論

1)和常規(guī)水下吊點(diǎn)方案相比,本文提出的吊裝框架設(shè)計(jì)方案,可解決吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難、液壓卡環(huán)費(fèi)用高、卡環(huán)失效摘扣困難等問(wèn)題,技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)可控,經(jīng)濟(jì)效益明顯,適用于大型導(dǎo)管架的海上安裝。

2)基于SACS軟件和ANSYS軟件,總結(jié)了一套吊裝框架結(jié)構(gòu)及耳軸式吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)流程和計(jì)算方法,以某大型8腿導(dǎo)管架為例,對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析校核,驗(yàn)證了吊裝框架方案的可行性,供同類(lèi)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造和海上安裝階段參考。