某自升式平臺管線棧橋強度評估

張　亮

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司， 天津 300452)

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某自升式平臺管線棧橋強度評估

張亮

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司， 天津 300452)

由于海洋環境對鋼結構的設備影響較大，因此需要定期對鋼結構類的設備進行檢測及強度評估。通過對某自升式鉆井平臺的管線棧橋進行檢測及結構強度分析，利用ANSYS軟件建模并計算重要構件及整體的應力分析，以此來驗證該管線棧橋使用的可靠性。

自升式平臺管線棧橋應力分析強度評估

0　引言

某自升式鉆井平臺通過管線棧橋與固定平臺之間互通油、氣、水、電，結構模型如圖1、圖2所示。該管線棧橋上載有240 mm2的主輸電電纜18根，其它通信廣播電纜若干根，以及輸送液體無縫鋼管φ89×5.5 mm兩根、φ60×4 mm三根。為了管線連接機維修方便，棧橋上設有供兩人行走的通道。棧橋總長14.5 m，旋轉角度為180°，總體外觀為懸臂式，并可繞立式主軸水平旋轉。棧橋主體為框架式，通過多條螺栓與立式主軸連接，在棧橋上部與主軸頂部之間用一根鋼絲繩相連。棧橋的旋轉動能是靠機械傳動與液壓馬達來實現，在拖航狀態下，棧橋緊靠生活區后部，在自由端設有支撐平臺，棧橋通過張緊裝置和羊角螺栓固定，以保證拖航狀態下的穩定性。

圖1　棧橋90°方向

圖2　棧橋180°方向

該棧橋于2006年安裝，鑒于使用年限較長，故有必要對棧橋重要構件及整體進行安全評估。評估內容包括棧橋主體、傳動及轉動裝置的強度。

1　棧橋結構強度評估

1.1載荷施加

人員質量200 kg，集中加在端部。

均布重量1 735 N/m，電纜質量1.5 t，液管直徑89×8 mm兩根，60×6 mm三根，液體按水計。

要求在10級風的條件下，棧橋能夠正常使用，計算如下[1]：

10級風速V=28.5 m/s，風壓P=0.613×10-3V2kPa=812.55 Pa,風載荷F=ChCsSP=9 507 N。

上式中：P為風壓；S為平臺在正浮或傾斜狀態時，受風構件的正投影面積；Ch為受風構件的高度系數，其值可根據構件高度取1.1；Cs為受風構件形狀系數，取1.5。

1.2計算結果

1.2.1棧橋在90°方向，無風環境下

根據CCS規范要求[2]，靜載工況下，用Von mises 應力進行校核。棧橋整體許用應力為屈服極限164 MPa，實際應力為159 MPa，小于許用應力，滿足規范要求(見圖3)。對板單元進行應力分析(見圖4)，許用應力為164 MPa，實際應力為58 MPa，小于許用應力，滿足規范要求。對梁單元進行應力分析(見圖5), 許用應力[3]為164 MPa，實際應力為159 MPa，小于許用應力，滿足規范要求。

圖3　90°方向，無風環境下棧橋整體應力圖

圖4　90°方向，無風環境下板單元應力圖

圖5　90°方向，無風環境下梁單元應力圖

1.2.2棧橋在90°方向，有風環境下

根據CCS規范，組合工況下，用Von mises 應力[5]進行校核。棧橋整體許用應力為屈服極限[4]211 MPa，實際應力為181 MPa，小于許用應力，滿足規范要求(見圖6)。對板單元進行應力分析(見圖7)，許用應力為211 MPa，實際應力為61 MPa，小于許用應力，滿足規范要求。對梁單元進行應力分析[6](見圖8), 許用應力為211 MPa，實際應力為181 MPa，小于許用應力，滿足規范要求。

圖6　90°方向，有風環境下棧橋整體應力圖

圖7　90°方向，有風環境下板單元應力圖

圖8　90°方向，有風環境下梁單元應力圖

1.2.3棧橋在180°方向，無風環境下

根據CCS規范，靜載工況下，用Von mises[7]應力進行校核。棧橋整體許用應力為屈服極限164 MPa，實際應力為62 MPa，小于許用應力，滿足規范要求(見圖9)。對板單元進行應力分析(見圖10)，許用應力為164 MPa，實際應力為55 MPa，小于許用應力，滿足規范要求。對梁單元進行應力分析(見圖11), 許用應力為164 MPa，實際應力為162 MPa，小于許用應力，滿足規范要求。

圖9　180°方向，無風環境下棧橋整體應力圖

圖10　180°方向，無風環境下板單元應力圖

圖11　180°方向，無風環境下梁單元應力圖

1.2.4棧橋在180°方向，有風環境下

根據CCS規范，組合工況下，用Von mises 應力進行校核。棧橋整體許用應力為屈服極限211 MPa，實際應力為193 MPa，小于許用應力，滿足規范要求(見圖12)。對板單元進行應力分析(見圖13)，許用應力為211 MPa，實際應力為56 MPa，小于許用應力，滿足規范要求。對梁單元進行應力分析(見圖14), 許用應力為211 MPa，實際應力為193 MPa，小于許用應力，滿足規范要求。

圖12　180°方向，有風環境下棧橋整體應力圖

圖13　180°方向，有風環境下板單元應力圖

圖14　180°方向，有風環境下梁單元應力圖

2　棧橋重要構件強度評估

2.1液壓傳動裝置扭矩計算

2.1.1作用在棧橋構架上的風載荷計算：

F風=KKZP0A=2 162.2N

式中：K 為風載形狀系數取0.5；KZ為海上風壓高度變化系數取1.18；基本風壓P0=0.613VT2=179.34 Pa(VT按7級風取17.1 m/s)；A為受風面積計算得出20.45 m2。

2.1.2主軸轉動扭矩

式中：L為棧橋構架總長度14.5 m；f磨=(N1+N2+G)·f=1 226 N，其中N1=N2=124 463 N(計算值見2.1.3中棧橋整體受力分析)；G為棧橋及電纜、管線總重量40 000 N；f為滾動軸承摩擦系數取0.004；R為主軸半徑0.1365 m；慣性阻力矩[8]Tg= JGi·n/9.55/t=735 N·m；棧橋繞回轉中心的轉動慣量JGi=4·(G/10)·(L2/4)/30=28 033 kg·m2；棧橋回轉速度按最大速度n=1 r/min；t為棧橋起動時間取4 s。

2.1.3棧橋整體受力分析

由圖15可見N3=G=40 000 N； N1= N2，以N3為研究點則有：G·7.25= N1·2.33，則N1=N2=124 463 N。

圖15　橋體受力分析

2.1.4驗算液壓傳動裝置扭矩

通過以上計算可知轉動主軸所需的扭矩為16 411 N·m。

轉動主軸上的大齒輪齒數為Z1=96，液壓傳動裝置上的小齒輪齒數為Z2=18。

扭矩為16 411·Z2/Z1/n=3 077 N·m(其中n為效率，取0.9)。

因此此液壓傳動裝置滿足傳動要求(此裝置型號為ZCM6000-K3，其額定扭矩為6 000 N·m)。

2.2齒輪強度計算

2.2.1齒面接觸強度計算

根據設備說明書查得齒輪參數如表1所示。

表1　大小齒輪參數

節圓處的齒面接觸最大，計算應力：σHma=ZEZHZσ{Ft/d1/b[(u+1)/u]kAKVKBKa}0.5=843.6 MPa。

式中：節點區域參數ZE取2.5；彈性系數ZH取189.8；重合度系數Zσ取0.83；額定圓周力為Ft=MT/d1=46 296 N；使用系數kA取1.25；動載荷系數KV取1；載荷分布系數KB取1.03；載荷分配系數Ka取1.4；u為傳動比取5.33。

許用接觸應力[σHF]=1 200，許用彎曲應力[σ]=490×0.6=294 MPa。

由以上計算得出：齒面最大接觸應力σHma<[σHF]，所以接觸應力滿足要求。

2.2.2齒根彎曲強度計算

σF= FtkAKVKBKaYFaYσYβ=131MPa

式中：齒形系數YFa取2.7；重合度系數Yσ取0.83；螺旋角系數Yβ取1。

可見σF<[σ]，因此齒根彎曲強度滿足要求。

2.3連接螺栓強度計算

2.3.1傳動主軸與橋架結構之間的連接螺栓[9]

螺栓參數:材料為2Cr13,型號為M30×15(GB5782-86)共計16個，抗拉強度為800 MPa，屈服強度為640 MPa，拉伸許用應力[σ]=640×0.8=512 MPa。

由于采用的是高強度螺栓連接，因此螺栓只受拉力作用，螺栓的最大拉力為[10]

Nmax=M/2×0.741÷(0.0752+0.2662+0.4612+0.7412)=128 218N

式中：M=G·L/2=40 000×14.5/2=290 000 N·m。

所以最大拉應力為：σmax=Nmax/s=181.5 MPa，即σmax<[σ]，因此螺栓滿足強度要求。

2.3.2傳動主軸與大齒輪之間的連接螺栓

螺栓參數：材料為2Cr13,型號為M30×105(GB5782-86)共計12個，抗拉強度為800 MPa，屈服強度為640 MPa，拉伸許用應力[σ]=640×0.8=512 MPa。

螺栓所受的最大拉力為

Nmax=2KnT/n/r/f=185 278N

式中：Kn為預緊系數取1.2;T為12級風時棧橋產生的扭矩值56 973 N·m；n為螺栓個數12；r為連接法蘭的外徑0.41 m；f為連接面摩擦系數0.15。所以最大拉應力為

σmax=Nmax/s=262.2 MPa，即σmax<[σ]，因此螺栓滿足強度要求。

3　結論

通過以上計算分析得出：該管線棧橋在90°方向，無風或者有風的環境下，以及在180°方向，無風或者有風的環境下，棧橋整體、板單元及梁單元的實際應力均小于許用應力；棧橋的傳動裝置、齒輪及螺栓均滿足強度要求。綜上所述，該棧橋若按照廠家標準進行定期大修，并且在保證整體及主要受力構件完好的情況下是可靠的。

[1]陳英俊，于希哲.風載荷計算[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

[2]中國船級社.海上移動平臺入級規范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[3]黃會榮.結構力學與鋼結構[M].北京：國防工業出版社，2011.

[4]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學(第7版)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5]曾攀.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6]莊茁，張帆，岑松，等.ABAQUS非線性有限元分析與實例[M].北京：科學出版社，2005.

[7]楊進，劉書杰，姜偉，等.ANSYS在海洋石油工程中的應用[M].北京：石油工業出版社，2010.

[8]趙淑紅.材料力學[M].北京：化學工業出版社，2010.

[9]成大先.機械設計手冊2(第5版)[M].北京：機械工業出版社，2008.

[10]熊峻江.疲勞斷裂可靠性工程學[M].北京：國防工業出版社，2008.

Structural Strength Assessment for Pipeline Trestle of a Jack-up Platform

ZHANG Liang

(CNOOC EnterTech-Drilling & Production Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

Due to large impact of marine environment on the steel structure of the equipment, regular testing and strength evaluation for the equipment of steel structure was needed. Pipeline trestle of a jack-up drilling platform was tested and structure strength was analyzed. Using ANSYS to model and calculating the stress of important components and whole structure, in order to verify the reliability of the Pipeline Trestle.

Jack-up platformPipeline trestleStress analysisStrengthAssessment

張亮(1986-)，男，工程師，從事海洋石油移動平臺管理工作。

P75

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