過(guò)濾橇底座吊裝時(shí)應(yīng)力分析

高楓，馬強(qiáng)，李陽(yáng)，東志紅

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

隨著國(guó)家能源改革以及油氣行業(yè)的深刻變革，長(zhǎng)輸油氣管道地位日益突出。長(zhǎng)輸油氣管道作為國(guó)家能源重要通道，具有保障國(guó)家能源安全、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要意義[1-2]。長(zhǎng)輸油氣管道在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，會(huì)因?yàn)檩斔徒橘|(zhì)中的水分或者含硫介質(zhì)腐蝕管道產(chǎn)生鐵銹，進(jìn)而影響介質(zhì)品質(zhì)。輸送介質(zhì)的品質(zhì)降低不僅影響站場(chǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行，還對(duì)管道的運(yùn)行產(chǎn)生巨大的安全隱患。為保證輸送介質(zhì)的品質(zhì)，保護(hù)運(yùn)行管道及站場(chǎng)設(shè)備，通常在站場(chǎng)設(shè)置過(guò)濾器。

為提高站場(chǎng)設(shè)備焊接質(zhì)量、加快站場(chǎng)建設(shè)進(jìn)程、縮短建設(shè)周期，橇裝設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。范嘉堃等[3]通過(guò)有限元方法對(duì)站場(chǎng)不均勻沉降引起的應(yīng)力進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：橇裝設(shè)備中三通和彎頭應(yīng)力較為集中；通過(guò)計(jì)算采用升頂方式可使應(yīng)力滿足校核標(biāo)準(zhǔn)。李凱等[4]人通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)兩相分離器進(jìn)行改進(jìn)，最終在站場(chǎng)上成功應(yīng)用。黨偉等[5]為克服積水等問(wèn)題，研制了一套預(yù)分化橇裝設(shè)備；該橇裝設(shè)備的成功應(yīng)用，可明顯減低運(yùn)行成本，同時(shí)節(jié)約水資源。劉元寶[6]針對(duì)油田地面污水處理不達(dá)標(biāo)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一套橇裝過(guò)濾裝備，該裝置具有占地面積小，處理效率高等優(yōu)點(diǎn)。

綜上，大多數(shù)研究學(xué)者只針對(duì)橇裝設(shè)備功能進(jìn)行探究，尚未對(duì)橇裝底座受力進(jìn)行分析。橇裝設(shè)備在工廠進(jìn)行預(yù)制好后，會(huì)涉及吊裝的問(wèn)題。為保證橇裝設(shè)備及管路在吊裝過(guò)程中，應(yīng)力及變形量在許用量范圍內(nèi)，需要對(duì)橇座的剛度及應(yīng)力進(jìn)行分析，以確保橇裝設(shè)備安全。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目的典型過(guò)濾橇裝設(shè)備的橇裝通過(guò)ANSYS 對(duì)其吊裝過(guò)程中的應(yīng)力進(jìn)行分析，該結(jié)果可為橇裝底座的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 過(guò)濾橇模型

過(guò)濾橇主要包括：過(guò)濾器、手動(dòng)球閥、電動(dòng)球閥、截止閥、排污閥以及儀表、管路組成。過(guò)濾橇模型如圖1 所示。

圖1 過(guò)濾橇模型Fig.1 Filter skid model

1.2 橇座模型及尺寸

橇底座模型如圖2 所示。橇座鋼結(jié)構(gòu)由橫梁和縱梁組成，管支架支撐在縱梁上面，橫梁和縱梁采用焊接連接，梁?jiǎn)卧鳛橐粋€(gè)整體進(jìn)行分析。具體參數(shù)見(jiàn)表1。在針對(duì)橇座鋼結(jié)構(gòu)的分析中，過(guò)濾器組件的自重載荷通過(guò)管支架作用到橇座上，模型中將過(guò)濾器組件重量在管支架位置加載于橇座上。

表1 橇座鋼結(jié)構(gòu)模型Table 1 Steel structure model of skid base

圖2 過(guò)濾橇底座模型Fig.2 Base model of filter skid

1.3 載荷

橇座載荷如圖3 所示。橇座鋼結(jié)構(gòu)承受外力來(lái)自管支架，在管支架安裝處加載自重載荷。根據(jù)設(shè)備分析，加載的重量分布也不盡相同。

圖3 橇座載荷Fig.3 The load of filter skid

1.4 邊界條件

橇座在吊裝過(guò)程中，主要依靠吊耳保持力的平衡，因此本模型的邊界條件加載到吊耳處。邊界條件如圖4 所示。

圖4 吊耳約束Fig.4 Lifting lug restraint

2 橇座計(jì)算結(jié)果

2.1 橇座應(yīng)力軸向力計(jì)算

橇座結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖5 所示，軸向力分布云圖如圖6 所示。

從圖5 及圖6 可知，橇座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在過(guò)濾器所在位置，最大值為58.2 MPa。同時(shí)橇座的軸向力也出現(xiàn)在過(guò)濾器所在位置。由此可見(jiàn)，大質(zhì)量的部件在橇座上的分布情況與橇座的受力有著直接關(guān) 系。

圖5 橇座鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.5 Stress cloud diagram of the skid base steel structure

圖6 橇座梁軸向力圖Fig.6 Axial force diagram of the skid base beam

2.2 橇座彎矩計(jì)算

通過(guò)對(duì)橇座梁的彎矩進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7 所示。由橇座的梁彎矩圖可知，最大彎矩也出現(xiàn)在過(guò)濾器所在位置，同時(shí)閥門所在的橇座梁上也出現(xiàn)了較大的彎矩。這是由于過(guò)濾器和閥門質(zhì)量較大，且分布較為集中，在吊裝過(guò)程中產(chǎn)生較大的力，導(dǎo)致橇座梁的彎矩較大。

圖7 橇座梁彎矩圖Fig.7 Bending moment diagram of skid beam

由圖8 和圖9 可知，橇座主梁上彎矩云圖呈對(duì)稱分布，并且最大彎矩為1.895 5×107N·mm，閥門所在的橇座梁上對(duì)應(yīng)的最大彎矩為1. 5×107N·mm。此外，從云圖及彎矩曲線上可以發(fā)現(xiàn)，在吊耳兩側(cè)彎矩較大，證明吊耳位置設(shè)置合理。

圖8 主梁（一）上彎矩云圖及曲線Fig.8 Main beam (1) upper bending moment cloud diagram and curve

圖9 主梁（二）上彎矩云圖及曲線Fig.9 Main beam (2) upper bending moment cloud diagram and curve

2.3 橇座扭矩計(jì)算

同理對(duì)橇座的扭矩圖進(jìn)行分析，如圖10 所示。結(jié)果與彎矩結(jié)果類似，最大彎矩出現(xiàn)在過(guò)濾器所在位置。

圖10 橇座梁扭矩圖Fig.10 Torque diagram of skid beam

2.4 橇座剪力計(jì)算

橇座梁剪力如圖11 所示。通過(guò)對(duì)橇座的剪力進(jìn)行計(jì)算可知，最大剪力出現(xiàn)在吊耳位置。由圖12、13 的剪力云圖及曲線可知，吊耳之間的剪力較大，而在吊耳外側(cè)剪力逐漸減小，在橇座兩端位置，剪力幾乎為零。這是由于吊耳之間過(guò)濾器質(zhì)量較大并且集中，導(dǎo)致吊耳之間的剪力較大，而吊耳之外質(zhì)量較小，因此剪力較小。

圖11 橇座梁剪力圖Fig.11 Shear force diagram of skid beam

圖12 主梁（一）上剪力云圖及曲線Fig.12 Shear cloud diagram and curve diagram on the main beam (1)

圖13 主梁（二）上剪力云圖及曲線Fig.13 Shear cloud diagram and curve diagram on the main beam (2)

2.5 橇座位移計(jì)算

橇座主梁位移圖及曲線如圖14、15 所示。通過(guò)對(duì)橇座主梁的位移進(jìn)行計(jì)算可知，在吊耳位置為正向位移，在過(guò)濾器所在位置為負(fù)向位移。也正因?yàn)榈醵鷥蓚?cè)的位移方向相反，導(dǎo)致吊耳處的剪力最大，這與橇座的剪力計(jì)算結(jié)果完全相吻合，也證明了計(jì)算的正確性。

圖14 主梁（一）上位移云圖及曲線Fig.14 Displacement cloud diagram and curve on main beam (1)

圖15 主梁（二）上位移云圖及曲線Fig.15 Displacement cloud diagram and curve of main beam (2)

3 結(jié)論

通過(guò)以上分析可知：

（1）鋼結(jié)構(gòu)梁最大應(yīng)力為58.2 MPa，小于型鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值310 MPa。由此可知該鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足吊裝要求。

（2）從橇座位移云圖上可以看出，鋼結(jié)構(gòu)最大位移為8.74 mm，其變形量小于擾度允許值1/500，因此橇座位移量也滿足鋼結(jié)構(gòu)剛度要求。證明橇座選型及吊耳布置的合理性。