海洋石油平臺陸地稱重結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

劉明爽李曉光楊永枝李應(yīng)曉成凱

(1.海工國際工程有限責任公司,天津塘沽 300461; 2.海洋石油工程股份有限公司建造公司,天津塘沽 300452;3.海洋石油工程股份限公司工程項目管理中心,天津塘沽 300461)

海洋石油平臺陸地稱重結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

劉明爽1李曉光1楊永枝3李應(yīng)曉2成凱2

(1.海工國際工程有限責任公司,天津塘沽 300461; 2.海洋石油工程股份有限公司建造公司,天津塘沽 300452;3.海洋石油工程股份限公司工程項目管理中心,天津塘沽 300461)

海洋石油平臺常見為四立柱鋼結(jié)構(gòu)平臺,陸地建造完工出海安裝之前,需要稱重得出準確的重量和重心數(shù)據(jù),常用稱重形式包括稱滑靴和稱立柱。本文以渤海灣石油平臺為例,使用ANSYS有限元分析軟件,分別計算并設(shè)計兩種常用稱重結(jié)構(gòu)形式,并計算分析了應(yīng)力分布和變形情況,對現(xiàn)場施工起到了指導(dǎo)性的作用。

海洋石油平臺 稱重 有限元分析

1 概述

海洋石油平臺常見為四立柱鋼結(jié)構(gòu)平臺,是海上進行油氣作業(yè)的設(shè)施,一般包括鉆井平臺、生產(chǎn)平臺、井口平臺和生活平臺等。海洋石油平臺陸地建造完成出海安裝之前,需要進行陸地稱重,得出準確的重量和重心,據(jù)此設(shè)計平臺吊點角度,保證海上吊裝安全平穩(wěn)。渤中29-4 WHPA平臺是海油工程承建的海洋生產(chǎn)平臺之一,平臺有四根立柱,立柱規(guī)格Φ1829×50mm,外圍尺寸約為32×48× 14.8m,重量約1900T,四根立柱支反力分別為529.8T、424.6T、510.7T和450.3T。根據(jù)滑道承載力要求,設(shè)計使用四條6.4m滑靴支撐立柱。立柱處腳鞋的設(shè)計規(guī)格與立柱相同,材質(zhì)GB712-2000 D36,腳鞋與立柱及滑靴連接詳見典型圖一所示。

表一 400T稱重千斤頂幾何參數(shù)

ANSYS軟件是流行的大型通用有限元分析軟件,它集結(jié)構(gòu)、熱力、流體、電磁等于一體,廣泛應(yīng)用于工程、造船、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、土木工程、水利等工作及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)中運行,具有多物理場耦合功能,并且在PC機上建立的模型可在巨型機上運行,確保了ANSYS可以對多領(lǐng)域多種工程問題進行求解?，F(xiàn)具體介紹該平臺稱重結(jié)構(gòu)物設(shè)計及有限元分析。

2 ANSYS建模及結(jié)果分析

滑靴稱重形式,液壓千斤頂稱重系統(tǒng)布置在滑靴稱重結(jié)構(gòu)和滑道塊之間,通過計算設(shè)計出滑靴稱重結(jié)構(gòu)。立柱稱重形式,液壓千斤頂稱重系統(tǒng)布置在立柱稱重結(jié)構(gòu)和滑靴之間,立柱稱重結(jié)構(gòu)設(shè)計為上下稱重環(huán)板及縱向加強筋板的結(jié)構(gòu)形式,與立柱焊接,材質(zhì)均選用GB712-2000 D36,根據(jù)平臺立柱的重量,選用4個400T千斤頂進行稱重,千斤頂參數(shù)見表一。建立的ANSYS模型分別如圖二和圖三所示。

由于結(jié)構(gòu)為鋼板或卷制管,選用SHELL93單元模擬,材料屬性采用線彈性模型,彈性模量210GPa,泊松比0.3。結(jié)構(gòu)上端施加豎向位移約束,千斤頂位置施加壓強載荷P。

P=α*T*g/(4*PI*D2)=1.5*529.8*1000*9.8/(4*PI*(193/ 1000)2)=52.27MPa (1)

式中,T為最大單腿支反力,g為重力加速度取9.8,D為千斤頂鞍座直徑,α為安全系數(shù)。

經(jīng)計算,滑靴稱重形式最大應(yīng)力為182MPa,立柱稱重形式最大應(yīng)力為189MPa,均小于許用應(yīng)力213MPa(取0.6倍屈服應(yīng)力),兩種稱重形式均滿足設(shè)計要求(如圖四所示)。

滑靴稱重形式優(yōu)點是合理設(shè)計滑靴稱重結(jié)構(gòu),避免立柱腳鞋與滑靴連接筋板的切割和二次焊接,缺點是要求滑道塊具有足夠強度支撐稱重千斤頂并有足夠的空間布置稱重千斤頂,稱得的重量和重心需要去除滑靴重量影響二次計算。立柱稱重形式優(yōu)點是稱重結(jié)果準確不需二次計算,不需考慮滑道塊強度和尺寸,缺點是需要切割立柱腳鞋與滑靴的連接筋板和稱重后重新焊接,稱重結(jié)構(gòu)可能與平臺立柱主結(jié)構(gòu)焊接,稱重后需要切除恢復(fù)立柱原狀。本平臺稱重結(jié)合現(xiàn)場實際情況,綜合評估最終選用經(jīng)濟性和實用性更好的滑靴稱重形式,有效的指導(dǎo)了現(xiàn)場施工作業(yè)。

3 結(jié)語

ANSYS軟件目前已廣泛應(yīng)用于海油工程各個工程項目設(shè)計和計算當中,通過有限元分析,可以合理設(shè)計稱重結(jié)構(gòu)物、吊裝吊點、各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)物整體和局部強度校核等工作,可以計算得到詳細的應(yīng)力分布和變形數(shù)據(jù),有效的指導(dǎo)了工程項目的施工作業(yè)。通過有限元計算,可以合理設(shè)計各部件的詳細規(guī)格尺寸,優(yōu)化設(shè)計方案,選用更加經(jīng)濟、合理和實用性強的實施方案,更加有效的指導(dǎo)一線安全高效施工。

[1]API 2A,Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design.

[2]尚曉江,等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[J].中國水利水電出版社,2005.

[3]鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析自學(xué)手冊[M].人民郵電出版社,2007 (1).

[4]聶武,孫麗萍,李治彬,等.海洋工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社,2003(7).