基于有限元分析的海上支持平臺遮蔽甲板吊重能力評估

李寶彬

（中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300450）

0 引 言

“海洋石油901”多功能平臺是一艘用于海上油田增產和修井作業的鉆修井裝置，適合于淺水深海域條件下的鉆修井作業。該平臺船型為三角形船體，船體型長40.8 m，型寬42.67 m，型深6.25 m，總長59.2 m。該海上支持平臺遮蔽甲板下主要為泥漿泵房，在泥漿泵及其它機件的零部件更換、維修作業中，甲板橫梁作為起吊重物的載體，其承載能力尤為關鍵。平臺在建造之初，由于未充分考慮該遮蔽甲板橫梁的后期作業復雜工況，為了施工安全，需要對該遮蔽甲板橫梁吊重能力進行充分評估。

有限元分析在結構強度分析中已得到了廣泛的運用，并被證實具有可信的準確性。大型桁架或框架結構受結構尺寸的限制，一般使用梁單元或殼單元進行分析[1-4]，在兼顧計算效率的同時能得到合理的結果。三維實體單元能夠更好地描述結構細節，因而計算結果能更趨于準確，但需要更多的計算資源[5-6]。海上支持平臺遮蔽甲板橫梁屬于型鋼構成的框架結構，尺寸為規模為4.8 m×3.4 m，為了計算的準確性，本文采用三維實體單元來進行有限元計算。

1 遮蔽甲板橫梁模型

平臺遮蔽甲板鋪設在橫梁上，甲板的重量由梁與板面組焊后增加的抗彎模量承擔，圖1為平臺遮蔽甲板與橫梁現場圖，將橫梁單獨建模，如圖2所示。

甲板橫梁由H型鋼和C型鋼構成，結構見圖2中序號描述，其結構尺寸見表1所示。型鋼材料均為Q235，不同型鋼通過焊接連接。甲板橫梁在吊重時，為了方便操作，起吊點是不固定的，根據現場作業情況，主要的起吊點分布見圖3所示，共15個主要起吊點，其中起吊點F、G、H、I、J與起吊點K、L、m、N、O是對稱分布，起吊點均在H型鋼上，C型鋼無起吊點。起吊重物時，各起吊點可按要求組合使用。

圖1 遮蔽甲板橫梁現場圖

圖2 橫梁模型圖

表1 橫梁結構尺寸

2 有限元分析

圖3 橫梁起吊點分布

根據橫梁模型，為保證計算的準確性，采用三維6面體20節點的實體單元（Solid186）劃分網格[5-6]，網格劃分模型見圖4。

遮蔽甲板橫梁的四個角由立柱支撐，因此在有限元分析時將橫梁框架的四角位置分別施加固定約束。在預定的起吊點組合施加豎直載荷，通過有限元計算分析橫梁的應力狀態。甲板橫梁載荷分為三種形式，即單點載荷、二點載荷和多點載荷。

圖4 橫梁網格劃分模型

甲板橫梁材料屈服強度σs取為235 MPa，彈性模量E為2.08×105MPa，泊松比μ為0.28。甲板橫梁材料為典型的彈塑性金屬材料，根據第四強度理論，采用Vonmises屈服準則來判斷[7]，等效mises應力表示為

式中，σ1、σ2、σ3分別為第一、二、三主應力。

圖5（a）為F點單點最大載荷下的應力云圖，圖5（b）為二點（H、M點組合）最大載荷下的應力云圖。從圖5中可看出，最大應力位置為起吊葫蘆與型鋼軌道的接觸區域，為了在計算中避免應力集中，載荷施加時采用面力加載。計算過程中，施加載荷采用分步加載，直至應力達到材料屈服強度為止。

圖5 最大載荷時應力云圖

3 結果與討論

3.1 單點載荷

分別對15個起吊點施加分步載荷計算，得出各起吊點的單點最大載荷，見表2所示。

從表2中可知，若進行單點起吊，A點起吊能力最大，可起吊40 kN重物，其次是E點（39 kN）；C點起吊能力最小，最大起吊能力為26 kN。根據表2計算結果，按橫梁單點起吊能力將其劃分為三個區域，見圖6所示，其中I區起吊能力最強，II區其次，III區最弱。

圖6 起吊能力分布圖

3.2 二點載荷

在起吊施工中，二點起吊經常使用，設二點均載，計算了18組不同的二點起吊組合，各組合的最大載荷計算結果見表3所示，從表3中數據分布上看，二點均載起吊能力的分布規律與圖6表示的區域分布相同，在A、K、F起吊點附近的區域能承受的載荷能力最大，在C、D起吊點附近區域的起吊能力最弱。對比表2和表3可知，二點起吊載荷能力比單點起吊明顯增加，但二點起吊最大載荷并不是單點起吊最大載荷的簡單相加。

表3 二點均載最大載荷

3.3 多點載荷

對于一些體積較大、形狀不規則的重物，為了起吊安全，常考慮多點起吊方式，表4計算了8組不同的三點起吊、四點起吊組合的最大起吊載荷，起吊點組合原則為相鄰點組合。從表4的計算結果可看出，多點起吊的最大載荷能力的提升與起吊點間距有關系，起吊點間距越小，起吊能力與起吊點區域的二點起吊越接近，如A、K、F點組合的三點起吊與A、K或A、F組合的二點起吊相比，最大載荷能力非常接近；起吊點間距越大，起吊能力增加較明顯，如A、L、G點組合的三點起吊與該區域的二點起吊相比，最大載荷能力提升明顯。

表4 多點均載最大載荷

3.4 吊重能力評估與施工建議

根據有限元計算結果，單點起吊的最大載荷隨起吊點位置不同差異較大，圖6中I區最大載荷不應超過32 kN，III區最大載荷不應超過26 kN；若不考慮起吊位置，最大單點起吊載荷為26 kN。二點起吊和多點起吊的最大載荷能力明顯提升，二點起吊的最大安全載荷能力可達50 kN，多點起吊的最大載荷能力可達60 kN。

為安全起見，可將表中評估數據除以動載系數k后使用，動載系數k取值1.15，若平臺受風浪影響較大，動載系數k取值可增大到1.5。現場施工時，根據起吊方式，應先參照表2～表4的數據評估起吊重量是否超標，表2～表4中數據是最大起吊能力，施工時應小于表中數據。起吊過程中，起升或下降速度應緩慢均勻，防止沖擊載荷。

起吊載荷較大時，優先選擇多點起吊方式施工，并盡量保證各起吊點均載；若為非均載，則須滿足各點載荷不能超過單點起吊載荷最大值，同時總載荷不能超過對應的多點起吊最大載荷。在施工空間允許的條件下，二點起吊或多點起吊應盡量采用間距大的起吊點組合。

4 結論

針對“海洋石油901”海上支持平臺遮蔽甲板，對甲板下橫梁的起吊能力進行了有限元分析，并評估了各種起吊方式下的最大載荷。

1）計算了橫梁各起吊點單點起吊的最大載荷能力，并按載荷能力劃分了三個區域；若不考慮起吊位置，單點起吊最大載荷為26 kN。2）對常用的二點起吊和多點起吊組合進行了計算，二點起吊或多點起吊比單點起吊的載荷能力大，且起吊點間距越大，載荷能力越有提高的趨勢。二點起吊的最大載荷能力可達到50 kN，多點起吊的最大載荷能力可達到60 kN。3）計算的各種起吊方式的最大載荷數據可為現場施工提供參考和依據，評估結果對平臺的安全運行具有指導意義。

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[7] 謝貽權,何福保.彈性和塑性力學中的有限單元法[M].北京:機械工業出版社,1981.