基于ANSYS 的友誼號單點旋轉(zhuǎn)平臺校核

苑國棟，韓敬艷

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

隨著海上生產(chǎn)設(shè)施（如海上平臺、單點、FPSO等）投入生產(chǎn)時間的增加，其面臨各種維修改造的情況在逐年遞增。如近年來渤海友誼號單點滑環(huán)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象并存在一定的安全隱患。為解決該問題需要使用備用滑環(huán)進行替換。新舊滑環(huán)更換的過程中，協(xié)同滑環(huán)支架臨時放置在的旋轉(zhuǎn)平臺上。原旋轉(zhuǎn)平臺的設(shè)計僅僅是為了方便工作人員操作和維修，不具備承重功能。故需要對旋轉(zhuǎn)平臺針對臨時使用情況，重新校核。本文對該旋轉(zhuǎn)平臺的校核情況進行了詳細的介紹。因該旋轉(zhuǎn)平臺為特異性結(jié)構(gòu)，使用有限元軟件ANSYS進行校核，分析過程遵循API RP 2A-WSD規(guī)范。

1 項目概況

單點電滑環(huán)的更換過程中，備用滑環(huán)（3#）和漏油滑環(huán)（4#）要在旋轉(zhuǎn)平臺的不同位置進行轉(zhuǎn)換。位置詳見圖1。當(dāng)3#電滑環(huán)及支座落于旋轉(zhuǎn)平臺近滑環(huán)側(cè)時，需保證底面中心在A點；當(dāng)4#電滑環(huán)及支座落于旋轉(zhuǎn)平臺遠滑環(huán)側(cè)時（即底面中心在B點時），其底座下面需擱置臨時型鋼；待3#電滑環(huán)及支座吊走后，4#電滑環(huán)及支座需要吊裝到旋轉(zhuǎn)平臺近滑環(huán)側(cè)放置（即底面中心在A點）。3#滑環(huán)和4#滑環(huán)的詳細數(shù)據(jù)請見表1。

圖1 旋轉(zhuǎn)平臺位置布置圖

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

此項目需要從110KV變電站到蒸汽鍋爐配電站在管廊上已有橋架上敷設(shè)15kV-3×240鎧裝動力電纜、光纖、控制電纜，需拉設(shè)生命繩長度約1400m。從新建壓縮機區(qū)域，到脫碳單元控制電纜等在管架敷設(shè)需設(shè)置生命線長度約200米。

2 計算模型

計算中使用ANSYS有限元分析軟件中，根據(jù)電滑環(huán)在旋轉(zhuǎn)平臺上的位置，對旋轉(zhuǎn)平臺的受力情況進行了模擬。在ANSYS軟件中采用shell181單元進行建模。根據(jù)該旋轉(zhuǎn)平臺的結(jié)構(gòu)特點建模型如下圖。詳見圖2，3：

圖2 模型示意圖

3 載荷工況及邊界條件

此次電滑環(huán)的更換工作，其環(huán)境荷載只需要考慮風(fēng)荷載，無需考慮波浪流等其他環(huán)境荷載。

3.1 風(fēng)載荷的計算

風(fēng)載的計算依據(jù)API RP 2A-WSD 規(guī)范，物體上風(fēng)的拖拽力計算公式如下：

F=(ρ/2)μ2CSA

F:風(fēng)力

圖3 有限元模擬圖

ρ：空氣的質(zhì)量密度（標準溫度和壓力時為0.0023668slugs/ft3）,slugs/ft3

μ:風(fēng)速，ft/s

CS：形狀系數(shù)；對于垂直作用于圓柱形構(gòu)件投影面上的風(fēng)力系數(shù)建議為0.5

A:物體面積，ft2

此項目按照一年一遇的8級風(fēng)速（17.2-20.7m/s）考慮，電滑環(huán)及支座所受風(fēng)載具體表2：

表2 風(fēng)載荷受力情況

3.2 載荷工況

根據(jù)3#和4#滑環(huán)在旋轉(zhuǎn)平臺的擺放位置,可分為如下三種工況:

1）工況一：前期3#滑環(huán)提前在A處就位，3#滑環(huán)單獨放置時間較長，考慮風(fēng)載；

基本工況: G3: 3#滑環(huán)及支座的自重；FL1:活荷載；FW3:3#滑環(huán)及支座承受的風(fēng)載

組合工況: F1=G3+FL1+FW3

2）工況二： 3#滑環(huán)和4#滑環(huán)同時放置在旋轉(zhuǎn)平臺上，只需同時停留倒扣的時間，時間較短不考慮風(fēng)載；

基本工況 G3: 3#滑環(huán)及支座的自重； G4: 4#滑環(huán)及支座的自重；FL2:活荷載；

組合工況: F2=G3+ G4+FL2

3）工況三：3#滑環(huán)被吊走后，4#滑環(huán)需要被吊至A處單獨放置在旋轉(zhuǎn)平臺上，待船舶到位后吊離，考慮風(fēng)載；

組合工況F3=G4+FL3+FW4

基本工況 G4: 4#滑環(huán)及支座的自重；FL3:活荷載；FW4:4#滑環(huán)及支座承受的風(fēng)載

上述三種載荷工況中活荷載為5kn/m2，自重如表3：

表3 滑環(huán)自重

一共有三種情況是在海上進行，

兩端固定的水平鋼絲繩作為軟梁，用于扣掛作業(yè)人員安全帶，生命繩兩端與固定鋼構(gòu)件鉸接，且不可轉(zhuǎn)動，可將帶柔性的生命繩視作間支梁，且主要受軸向張力。

由于生命繩的矢跨比較小，可視作兩端固定的懸鏈線，可用拋物線理論計算。

3.3 邊界條件

根據(jù)旋轉(zhuǎn)平臺與主軸的連接情況，計算中將旋轉(zhuǎn)平臺與主軸連接處進行全固定約束。詳見圖4。

圖4 旋轉(zhuǎn)平臺約束情況

4 分析結(jié)果

4.1 工況一分析結(jié)果

4.1.1 施加載荷

工況一：3#滑環(huán)及支座就位于A處，通過在重心位置建立pilot點，與節(jié)點耦合的方式施加自重和風(fēng)荷載，活荷載通過直接施加節(jié)點力的方式加載；詳見圖5；

圖5 載荷工況

4.1.2 分析結(jié)果

當(dāng)風(fēng)力沿X軸方向（0。）時，計算結(jié)果如圖6所示；當(dāng)風(fēng)力為90。方向時，計算結(jié)果如圖7所示；當(dāng)風(fēng)力為180。方向時，計算結(jié)果如圖8所示；當(dāng)風(fēng)力為270。方向時，計算結(jié)果如圖9所示；

圖6 Mises整體應(yīng)力云圖

圖7 Mises整體應(yīng)力云圖

圖8 Mises整體應(yīng)力云圖

圖9 Mises整體應(yīng)力云圖

旋轉(zhuǎn)平臺在工況一的條件下，風(fēng)力為180度的時候，最大節(jié)點應(yīng)力為133.9MPa，最大變形為9mm；旋轉(zhuǎn)平臺的材質(zhì)為ASTM A36，屈服強度為250MPa，許用應(yīng)力為150MPa（250*0.6=150）大于該工況下最大節(jié)點應(yīng)力，故旋轉(zhuǎn)平臺滿足強度要求。

4.2 工況二分析結(jié)果

4.2.1 施加載荷

工況二：3#滑環(huán)和4#滑環(huán)同時放置在旋轉(zhuǎn)平臺上，不考慮環(huán)境荷載；自重和活荷載直接施加節(jié)點力。4#滑環(huán)放置的位置需要增加臨時擱置的型鋼，通過型鋼將自重傳到平臺上。載荷情況詳見圖10。

圖10 載荷工況

4.2.2 分析結(jié)果

旋轉(zhuǎn)平臺在工況二的條件下，最大節(jié)點應(yīng)力

為128.9MPa，最大變形為11mm；小于旋轉(zhuǎn)平臺的許用應(yīng)力（250*0.6=150 MPa），滿足要求。具體計算結(jié)果如圖11、圖12。

圖11 Mises整體應(yīng)力云圖

圖12 變形位置圖

4.3 工況三分析結(jié)果

4.3.1 施加載荷

工況三：4#滑環(huán)及支座就位于A處，通過在重心位置建立pilot點，與節(jié)點耦合的方式施加自重和風(fēng)荷載；活荷載通過直接施加節(jié)點力的方式加載；

圖4-9 載荷工況

4.3.2 分析結(jié)果

當(dāng)風(fēng)力沿X軸方向（0。）時，計算結(jié)果如圖4-10所示；當(dāng)風(fēng)力為90。方向時，計算結(jié)果如圖4-11所示；當(dāng)風(fēng)力為180。方向時，計算結(jié)果如圖4-12所示；當(dāng)風(fēng)力為270。方向時，計算結(jié)果如圖4-13所示；

圖4-10 Mises整體應(yīng)力云圖

圖4-11 Mises整體應(yīng)力云圖

圖4-12 Mises整體應(yīng)力云圖

圖4-13 Mises整體應(yīng)力云圖

旋轉(zhuǎn)平臺在工況三的條件下，最大節(jié)點應(yīng)力為107.4MPa，最大變形為8.7mm；小于旋轉(zhuǎn)平臺的許用應(yīng)力（250*0.6=150 MPa），滿足要求。

綜上所述該旋轉(zhuǎn)平臺在各個工況下均可滿足強度要求。

5 結(jié)束語

海上結(jié)構(gòu)設(shè)施的設(shè)計壽命比較長，很多結(jié)構(gòu)在設(shè)計之初考慮的載荷工況比較單一。當(dāng)面臨一些極端工況的時候則需要重新校核判斷其是否滿足承載力的要求。利用有限元分析軟件ANSYS可以實現(xiàn)精準建模，準確模擬受力情況。得出的校核結(jié)果真實可靠。

在準確力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員就可以對所校核對象進行強度、剛度等方面的評判。確定方案最終的可行性。