用于長樁起樁的扁嘴鉤結構應力分析

魏佳廣 韓士強 劉吉林 嚴亞林 王吉祥 吳志霞

(1.海洋石油工程股份有限公司；2.中鐵18局集團建筑安裝工程有限公司)

用于長樁起樁的扁嘴鉤結構應力分析

魏佳廣*1韓士強1劉吉林1嚴亞林1王吉祥1吳志霞2

(1.海洋石油工程股份有限公司；2.中鐵18局集團建筑安裝工程有限公司)

以φ2 134mm扁嘴鉤模型為例，應用ANSYS有限元軟件進行應力分析，探討扁嘴鉤幾何參數、受力狀態對扁嘴鉤剩余強度的影響。

扁嘴鉤 長樁起樁 有限元模型 ANSYS

隨著我國淺海油氣資源的日益枯竭，深海能源的開發已經成為我國增加石油產量的一個重要發展方向。導管架作為海洋石油固定式平臺的關鍵主體結構，均采用鋼管樁將其固定到海上，作為永久性石油生產結構物，為避免使用過程中發生沉降、漂移及傾覆等破壞，需利用鋼樁貫入泥底一定深度并灌漿，與導管架連成整體使其永久固定[1]。

近年來，隨著對石油需求量的日益增加和深水油氣田開發項目的逐年增多，大型導管架的安裝數量將會越來越多，每座導管架都將有8～12根裙樁需要在導管架下水后及時安裝。扁嘴鉤是較深水導管架在鋼樁安裝階段所需的重要施工機具，鋼樁安裝是否順利將直接影響到導管架安裝的成敗，扁嘴鉤不僅可以滿足大型鋼樁正常工況下起樁作業需求，還能用于不利工況下的起樁作業，為保證和加強起樁作業的施工效率和安全性提供了可靠的技術保障[2]。因此開展深水導管架長樁起樁的扁嘴鉤設計研究是深水導管架海上安裝區塊所面臨的重要課題之一。

1 翻樁方法簡介

淺水導管架的鋼樁噸位輕，分段長度短，設計在浮吊的吊高范圍之內，一般都采取直接從甲板起樁，駁船甲板強度不足時可用工字鋼、墊木制作特殊起樁保護。深水導管架的鋼樁一般為水下裙樁，噸位重，長度大都在100m以上，直徑規格有2 134、2 438、2 744mm等，因其重量、長度等原因，多采用扁嘴鉤系統起樁，也有采用液壓翻樁器的方法。

扁嘴鉤系統起樁法(液漲式吊樁器，翻板，扁嘴鉤及配套設備)的主要原理是在樁尖底部安裝一個扁嘴鉤，利用線性絞車提供拉力，控制鋼樁在翻轉過程中的移動和下滑，對主作業船的吊高能力要求較高，安全性、操作性、工效性俱佳。

液壓翻樁器法的主要原理是在主樁的中下部安裝液壓翻轉器，利用翻轉器將主樁從水平狀態翻轉至豎直狀態，并提供摩擦力防止主樁在翻轉過程中的下滑[3]。液壓翻轉器須具有萬向旋轉功能，操作簡單，費用較高，優點在于涌浪較大時，主作業船可以調整船位后仍能完成起樁作業，減少了兩船上下運動的影響。例如：某項目主作業船S3000左舷船艉加裝了一個液壓翻轉器，相隔約50m裝有U形支架，將鋼樁由其右舷駁船上平吊至左舷的液壓翻轉器及支架上，翻轉器通過5個液壓缸鎖住鋼樁，并在鋼樁頂部插入吊樁器(ILT)，以翻轉器為軸翻轉鋼樁，待鋼樁吊起垂直后，松開翻轉器即可插樁。

2 扁嘴鉤模型建立

扁嘴鉤的結構如圖1所示，中心圓鋼為20Cr材料，屈服極限為539.0MPa，許用剪應力為215.6MPa，許用拉壓應力為323.4MPa，許用擠壓應力為485.1MPa。板材為D36材料，屈服極限為353.0MPa，許用剪應力為141.2MPa，許用拉壓應力為211.8MPa，許用擠壓應力為317.7MPa。設計吊裝載荷是212t，安全系數為1.3，因此最終設計載荷是275.6t。

扁嘴鉤三維立體模型利用ANSYS建模進行分析[4]實際所受載荷為剪力、彎矩[5]等，對建立的幾何模型進行約束，并進行網格劃分，從而得到有限元模型(圖2)。扁嘴鉤通過吊眼固定，同時附加幾個橫向支撐提供足夠的固定自由度，這些支撐具有很小的剛度，其反力可以忽略不計。

圖1 扁嘴鉤結構

圖2 扁嘴鉤有限元模型

3 計算結果與分析

3.1等效應力定義

等效應力按第四強度理論定義[6]，計算公式為：

式中 [σ]——許用應力，MPa；

σb——抗拉強度，MPa；

σs——屈服強度，MPa；

σVME——等效應力，MPa。

利用有限元模型計算扁嘴鉤受力狀態下的等效應力[7]，就可以分析極限載荷，從而確定扁嘴鉤的剩余強度。等效應力越大，扁嘴鉤剩余強度越小，就越容易發生失效。

3.2分析結果

扁嘴鉤及主結構應力分布云圖如圖3所示。扁嘴鉤起樁有限元分析結果見表1。

圖3 扁嘴鉤及主結構應力分布云圖

部件最大計算應力/MPa許用應力/MPa主板351．0400．0板388．7284．0板2119．0284．0底部擋板40．4284．0左擋板14．9284．0板450．4284．0擋板281．0284．0左擋板(上部)1．74284．0板5135．0284．0圓管132．0431．2

由圖3和表1可知，主板的最大等效應力為351.0MPa，不超過許用應力400.0MPa，中心圓管最大等效應力值132.0MPa，不超過許用應力431.2MPa，其余擋板的最大等效應力值均不超過其許用應力284.0MPa，可知翻樁過程扁嘴鉤所承受載荷滿足要求。

通過扁嘴鉤起樁過程所承受載荷的變化對局部應力影響的研究，應用有限元方法，對扁嘴鉤進行簡化模擬計算，分析其最終結果，當所受載荷發生變化時，扁嘴鉤的局部所受應力大小會隨之發生變化，且均小于許用應力值[8,9]。

4 結束語

導管架海上安裝過程中，制定鋼樁翻樁方案應根據具體工程鋼樁的長度、重量、吊機吊高和吊重能力、現有的設備技術等條件有針對性地選擇不同的工藝方法。但不管采用何種吊裝方法，應對吊樁過程受力情況、駁船受力情況、吊機載荷變化情況以及駁船與主作業船之間的相對運動情況進行詳細分析，為鋼樁起吊工程控制提供理論依據，并選擇有足夠安全系數的施工機具，以確保施工安全。

[1] 楊曉剛. 深水導管架滑移下水的安裝分析技術和設計方法[J]. 中國海上油氣(工程), 2003,15 (3):4～9.

[2] 樊之夏. 深水導管架安裝研究[J]. 中國海洋平臺, 2003, 18(2):27～29.

[3] 劉競，劉錦昆，李喆，等. 新型水下井口基盤模型試驗及數值分析[J].中國海洋平臺，2009，24(4)：33～37.

[4] 閻廷松. 惠州21-1導管架的海上安裝[J]. 中國海洋平臺, 1991, 6(3):38～42.

[5] 朱紹華. 文昌油田深水導管架安裝技術[J]. 中國海上油氣(工程), 2003, 15(1):12～14.

[6] 曹學軍，楊炳益，侯金林. 平湖油氣田鉆采平臺海上安裝[J]. 中國海上油氣(工程), 1999, 11(1):11～13.

[7] 咸泰洪. 海洋石油結構模塊拖拉裝船和海上安裝[J]. 中國修船, 2010, 6(3):50～53.

[8] 于文太，秦立成，王立權，等. 大型導管架下水中藍疆號起重船系泊計算分析[J]. 中國水運, 2010, 6(6):218～220.

[9] 凌翔樺，裴峻峰，王魯豫，等. JJ225/43-K型石油鉆機井架屈曲分析[J].化工機械,2010,37(3):347～350.

AnalysisofPelicanHookStructuralStressforUpendingLongPiles

WEI Jia-guang1, HAN Shi-qiang1, LIU Ji-lin1, YAN Ya-lin1, WANG Ji-xiang1, WU Zhi-xia2

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China; 2.ConstructionandInstallationEngineeringCo.Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroupCo.,Ltd.,Tianjin300308,China)

Takingφ2 134mm pelican hook as an example, making use of ANSYS software to analyze pelican hook’s residual strength and to simulate and analyze its stress distribution along the pile upending was implemented, including the discussion of its geometrical parameter and stress’s impact on the residual strength.

pelican hook, long pile upending, finite element model, ANSYS

*魏佳廣，男，1986年4月生，工程師。天津市，300452。

TQ050.7

A

0254-6094(2016)05-0681-04

2015-11-09，

2015-12-23)