內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)鑄件平臺(tái)吊裝翻身有限元分析

張 平

（海洋石油工程（青島）有限公司，青島 266555）

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）單點(diǎn)系泊系統(tǒng)近年來廣泛應(yīng)用于近海油田開發(fā)，是近海油田“井口平臺(tái)+生產(chǎn)儲(chǔ)油輪（FPSO）+單點(diǎn)系泊系統(tǒng)”采油方式中的主要構(gòu)成之一[1]。其中，鑄件平臺(tái)分段由多個(gè)高度不一的立管段和環(huán)形板材及圈梁構(gòu)成。由于復(fù)雜的空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在預(yù)制時(shí)需要反造預(yù)制，總裝時(shí)需要進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)就位。在此過程中，應(yīng)力集中點(diǎn)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在動(dòng)態(tài)變化，利用ANSYS軟件可以有效分析翻身過程中鑄件平臺(tái)產(chǎn)生的應(yīng)力集中和變形變化，為單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的安裝作業(yè)提供合理的可行性建議。

1 質(zhì)量控制

1.1 分段信息

以某FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為例，它的鑄件平臺(tái)分段采用反造的方式在車間預(yù)制，使用2臺(tái)400 t履帶吊（1#、2#）將分段翻身并與錨鏈盤總段合攏。本文分析鑄件平臺(tái)的吊裝過程[2]，鑄件內(nèi)平臺(tái)分段總體信息參見表1，其中質(zhì)量數(shù)據(jù)根據(jù)最新圖紙建立的TEKLA模型導(dǎo)出獲得。

表1 鑄件內(nèi)平臺(tái)分段（L3 block）總體信息

1.2 吊點(diǎn)布置

根據(jù)TEKLA模型提供的重心位置，在鑄件平臺(tái)正反兩面上共布置9處55 t吊點(diǎn)，其中1#～3#吊點(diǎn)為車間平吊時(shí)的吊點(diǎn)，4#～9#為在場地翻身就位時(shí)所用的吊點(diǎn)。與吊點(diǎn)相連接的基板或者腹板，需要在吊點(diǎn)安裝前進(jìn)行夾層檢驗(yàn)[3]。鑄件內(nèi)平臺(tái)分段（L3分段）重心位置及吊點(diǎn)1#～9#布置詳圖如圖1所示。

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

有限元計(jì)算分析使用ANSYS軟件。該軟件為ANSYS公司研制的大型結(jié)構(gòu)仿真有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）軟件，適用于包括線性、非線性、動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)和顯式研究在內(nèi)的結(jié)構(gòu)分析，在海洋鋼結(jié)構(gòu)工程和各類力學(xué)領(lǐng)域均有廣泛和深入的應(yīng)用[4]。使用ANSYS軟件對鑄件平臺(tái)建模，模型采用SOLID實(shí)體單元。網(wǎng)格劃分區(qū)域?yàn)樗袑?shí)體，單元形狀選擇為六面體（Hex），結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)。所有網(wǎng)格的平均大小為50 mm，有限元分析中使用的單位為mm·N-1·s-1。FEA模型如圖2所示。

由于鑄件平臺(tái)空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在使用ANSYS分析時(shí)，對鑄件平臺(tái)分段（L3）模型進(jìn)行了簡化。模型中所有的非應(yīng)力集中區(qū)域倒角與圓角均被刪除，所有的鋼絲繩在模型中均被簡化為直徑50 mm的細(xì)桿[5]。

2.2 工況設(shè)定

工況參見表2。其中：W1工況為結(jié)構(gòu)凈質(zhì)量；W為TEKLA軟件中的鑄件平臺(tái)分段質(zhì)量；W2工況為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量；Coe2為質(zhì)量不確定系數(shù)，由于吊裝時(shí)可能附加的額外質(zhì)量，根據(jù)一般原則[6]，取1.05；W3工況為在W2工況基礎(chǔ)之上加上鑄件平臺(tái)分段在吊裝過程中由于風(fēng)力或其他因素導(dǎo)致晃動(dòng)所產(chǎn)生的載荷，所以要考慮吊裝動(dòng)態(tài)放大系數(shù)；動(dòng)態(tài)放大系數(shù)Coe3取1.1。

表2 工況說明

采用有限元分析計(jì)算的目的是分析鑄件平臺(tái)分段吊裝翻身時(shí)最危險(xiǎn)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力。因此，在計(jì)算分析時(shí)，需要使用加強(qiáng)重力加速度在ANSYS模型中模擬W3工況，最終的加強(qiáng)重力加速度為：

將相關(guān)數(shù)值帶入式（1），最后可獲得加強(qiáng)重力加速度為11 319 mm·s-2。需要說明的是，在ANSYS模型中4#～9#吊點(diǎn)節(jié)點(diǎn)全部采用fix約束[7]。

2.3 分析結(jié)果

翻身階段0°吊裝強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。可以看出，分段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力117 MPa＜284 MPa（計(jì)算過程0.8×Fy=0.8×355），最大應(yīng)變?yōu)?.2 mm，滿足要求。

翻身階段45°吊裝強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示。分段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力81 MPa＜284 MPa（計(jì)算過程0.8×Fy=0.8×355），應(yīng)變?yōu)?.6 mm，滿足要求。

翻身階段90°吊裝強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示。分段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力114 MPa＜284 MPa（計(jì)算過程0.8×Fy=0.8×355），應(yīng)變?yōu)?.6 mm，滿足要求。

翻身階段135°吊裝強(qiáng)度結(jié)果如圖6所示。分段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力154MPa＜284 MPa（計(jì)算過程0.8×Fy=0.8×355），應(yīng)變?yōu)?.7 mm，滿足要求。

翻身階段180°吊裝強(qiáng)度結(jié)果如圖7所示。分段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力115 MPa＜284 MPa（計(jì)算過程0.8×Fy=0.8×355），應(yīng)變?yōu)?.4 mm，滿足要求。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以得到：整個(gè)吊裝翻身過程中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況為135°時(shí)6#吊點(diǎn)附近的環(huán)板上，大小為154 MPa；最大位移出現(xiàn)在工況180°時(shí)6#吊點(diǎn)附近，大小為4.4 mm。在整個(gè)吊裝從0°翻身到180°的過程中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力主要出現(xiàn)在6#吊點(diǎn)附近。

（2）對于應(yīng)力、應(yīng)變集中的6#吊點(diǎn)附件區(qū)域，由于板材厚度較薄，有必要進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)，對6#吊點(diǎn)進(jìn)行一定的改造或者對其下部的環(huán)板安裝臨時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件，減小該處的應(yīng)力集中。

（3）鑄件平臺(tái)分段內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種梁、管和板材縱橫交錯(cuò)，在分段施工時(shí)應(yīng)充分考慮與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)的安裝就位問題，合理對部分超長結(jié)構(gòu)分段，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)影響吊裝作業(yè)的情況。

（4）鑄件平臺(tái)分段由于結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，合理布置吊點(diǎn)將會(huì)事半功倍。