魚骨型聯(lián)鉤撐桿的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

劉 超，李雪松，王繼強(qiáng)，孟維超

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

撐桿作為一種吊裝輔助設(shè)備，一方面可以避免索具與被吊物之間的干涉，另一方面可以避免被吊物受軸向力作用，因此在一些吊裝變形和干涉較多的結(jié)構(gòu)物吊裝過程中，撐桿得到了廣泛應(yīng)用。在海洋工程施工中，撐桿又多了一種用途，即將起重機(jī)的多個(gè)鉤頭或浮吊船的兩個(gè)或多個(gè)鉤頭關(guān)聯(lián)使用，進(jìn)而提高作業(yè)平臺(tái)的吊裝能力。

1 魚骨型聯(lián)鉤撐桿設(shè)計(jì)思路

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

巴西FPSOP67/P70項(xiàng)目是海洋石油工程股份有限公司首次承接30萬噸級(jí)FPSO的EPCI項(xiàng)目。火炬塔作為FPSO模塊集成施工中吊高最大的結(jié)構(gòu)物，長(zhǎng)82.5 m，質(zhì)量約190 t，其就位底座位于水面以上31.1 m，再加上火炬塔扶正過程中所用撐桿掛扣的高度，總吊高約125 m。火炬塔頂部結(jié)構(gòu)及撐桿掛扣布置見圖1。

圖1 火炬塔吊裝布置示意

1.2 撐桿設(shè)計(jì)理念

使用浮吊進(jìn)行火炬塔吊裝時(shí)，只能使用吊高最高的副鉤，但副鉤的起重能力比主鉤低很多，被吊物最大質(zhì)量不能超過200 t，如果被吊物超重，一般情況下需要對(duì)被吊物減重或更換更大的浮吊。火炬塔結(jié)構(gòu)本身簡(jiǎn)單，無法實(shí)現(xiàn)減重；而只為完成火炬塔吊裝再動(dòng)員另一艘浮吊，又不夠經(jīng)濟(jì)。結(jié)合浮吊多鉤的特性，如果將雙副鉤加以利用，雙鉤聯(lián)動(dòng)吊裝，既滿足吊重的要求，又滿足吊高的要求。為此，聯(lián)鉤撐桿初步設(shè)計(jì)為“十字”形，雙鉤間距24 m。

1.3 撐桿特性

不僅火炬塔吊裝需要撐桿，項(xiàng)目中還有一些窄長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)物也需要撐桿進(jìn)行吊裝；因此在設(shè)計(jì)過程中，將多個(gè)散件的吊裝撐桿整合在火炬塔聯(lián)鉤撐桿中，豐富了聯(lián)鉤撐桿的功能。如圖2所示，火炬塔聯(lián)鉤撐桿中新增5對(duì)“翅膀”和若干掛扣檔位，外形為魚骨型吊裝撐桿。

圖2 魚骨型吊裝撐桿設(shè)計(jì)

2 計(jì)算分析

2.1 撐桿計(jì)算模型與受力情況（見圖3、圖4）

圖3 撐桿受力情況

撐桿設(shè)計(jì)時(shí)，首先明確魚骨型聯(lián)鉤撐桿的使用要求。從撐桿橫截面（見圖4）上看，撐桿屬于支點(diǎn)在中間的杠桿，在撐桿的使用過程中，需要保持撐桿兩側(cè)的力臂平衡。因此，撐桿兩側(cè)多設(shè)置掛扣檔位，一方面可以滿足多個(gè)被吊物的掛扣需求，另一方面可以在實(shí)際吊重與設(shè)計(jì)吊重存在誤差時(shí)，進(jìn)行檔位微調(diào)，保證力臂平衡。

撐桿主要受力為豎直向上的P1和P2，豎直向下的 T1、T2、T3、T4和重力 G，受力計(jì)算公式為：

圖4 撐桿橫截面

魚骨型聯(lián)鉤撐桿初步設(shè)計(jì)用來吊裝火炬塔、管廊、卸貨平臺(tái)、設(shè)備模塊等大小25座結(jié)構(gòu)物，被吊物起吊分析結(jié)果見表1。為了簡(jiǎn)化撐桿計(jì)算模型，不用重復(fù)計(jì)算每個(gè)檔位T1～T4的情況，轉(zhuǎn)而以最大力臂為代表進(jìn)行計(jì)算。P1和P2以浮吊200 t、副鉤最大的能力1 960 kN計(jì)算設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

表1 被吊物起吊分析結(jié)果

2.2 吊點(diǎn)校核

為簡(jiǎn)化掛扣過程，撐桿絕大多數(shù)部位采用吊柱形式，僅在上部掛鉤頭位置設(shè)計(jì)2個(gè)200 t吊點(diǎn)和下部與火炬塔頂部掛扣1個(gè)200 t吊點(diǎn)。

根據(jù)DNV規(guī)范要求，吊裝分析需要考慮Consequence factors（結(jié)果系數(shù)），吊點(diǎn)以及支持吊點(diǎn)的主要結(jié)構(gòu)和吊裝設(shè)備（吊裝框架/撐桿）的Consequence factors值為 1.3。根據(jù) HMC規(guī)范要求，當(dāng)鋼板的 σs/σb＞0.7 時(shí)，σs′應(yīng)取 0.41 （σs+σb），其中：σs為屈服應(yīng)力，σb為抗拉應(yīng)力。制作撐桿的材料均為Q345B高強(qiáng)度鋼板，其σs=325 MPa，σb=470 MPa，則 σs/σb=0.69 （＜0.7）。吊點(diǎn)詳圖及計(jì)算參數(shù)如圖5所示。

圖5 吊點(diǎn)詳圖及計(jì)算參數(shù)

設(shè)計(jì)載荷 Ts=200×9.8×1.3=2 548 （kN）（Ts豎直向上）；規(guī)范要求面外力加強(qiáng)板2與加強(qiáng)板4相同，合并計(jì)算。

主要參數(shù)定義為：σ?allow為許用應(yīng)力；A?為受力截面積；f?為實(shí)際應(yīng)力值；UC?為UC（Unity Check）值。（以上參數(shù)的下標(biāo)?取不同字母時(shí)代表不同含義：p表示壓應(yīng)力，t表示拉應(yīng)力，s表示剪切應(yīng)力）

2.2.1 壓應(yīng)力

σpallow=0.9 min （σsmp，σs） =292.5 （MPa）

Ap= （tmp+2·tcp1+2·tcp2）·dp=19 080 （mm2）（dp為卡環(huán)銷軸直徑=120 mm）

fp=Ts/Ap=133.63 （MPa）

UCp=fp/σpallow=0.46 ＜1，滿足規(guī)范要求。

2.2.2 拉應(yīng)力

σtallow=0.6 min （σsmp， σs） =195 （MPa）

At= （2·rmp-dh）·tmp+2·（2·rcp1-dh）·tcp1+2·（2·rcp2-dh）·tcp2=38 034 （mm2）

ft=Ts/At=51.57 （MPa）

UCt=ft/σtallow=0.26 ＜1，滿足規(guī)范要求。

2.2.3 剪切應(yīng)力（截面定義參見圖5）

（1） α-α截面：

σαallow=0.4 min （σsmp，σs） =130 （MPa）

Aα= （2·rmp-dh）·tmp+2·（2·rcp1-dh）·tcp1+2·（2·rcp2-dh）·tcp2=38 034 （mm2）

fα=Ts/Aα=67.04 （MPa）

UCα=fα/σαallow=0.52 ＜1，滿足規(guī)范要求。

（2） α′-α′截面：

（3） β-β 截面：

UCβ=fβ/σβallow=0.46 ＜1，滿足規(guī)范要求 。

（4） γ-γ截面：

（5）面外力：

面外力應(yīng)力：σoallow=0.6·min （σsmp，σs）=195 （MPa）

面外力彎矩： Mo=Tx·H=39.23 （kN·m）（H為卡環(huán)弓高=400 mm）

截面慣性矩：

截面面積矩：

UCo=fo/σoallow=0.21 ＜1，滿足規(guī)范要求。

2.3 局部有限元分析

為了簡(jiǎn)化模型，建模時(shí)只模擬撐桿受力最大點(diǎn)附近的結(jié)構(gòu)，選取的典型計(jì)算位置如圖6所示，選取位置設(shè)計(jì)載荷如表2所示。模型中所有的鋼板都模擬為Shell 181單元，該單元為軟件ANSYS中模擬海洋結(jié)構(gòu)物中通用的4節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)元素，具有線性特征和彈性特征。

圖6 典型計(jì)算位置

表2 選取位置設(shè)計(jì)載荷

雖然撐桿設(shè)計(jì)時(shí)，選取鋼材屈服強(qiáng)度均為345 MPa，但根據(jù)規(guī)范要求，不同壁厚的鋼板在計(jì)算時(shí)選取的基礎(chǔ)許用應(yīng)力值也不同。使用Von Mises等效應(yīng)力法計(jì)算撐桿強(qiáng)度時(shí)，許用應(yīng)力最終結(jié)果應(yīng)再考慮0.7的系數(shù)（見表3）。3個(gè)位置的Von Mises應(yīng)力分布見表4和圖7。

表3 不同壁厚計(jì)算許用應(yīng)力值

表4 Von Mises應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)Von Mises等效應(yīng)力結(jié)果，撐桿結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在位置1，最大值為226.03 MPa，該應(yīng)力小于許用應(yīng)力（227.5 MPa），因此，撐桿強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖7 3個(gè)位置的Von Mises應(yīng)力分布

3 實(shí)際應(yīng)用

在巴西FPSO項(xiàng)目中，采用魚骨型聯(lián)鉤撐桿共完成管廊等小型結(jié)構(gòu)物吊裝24次、火炬塔吊裝1次。該撐桿具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、檔位設(shè)置合理、更換索具便捷、占用空間小等諸多優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

在FPSO模塊集成施工中，需要吊裝的散件和小型結(jié)構(gòu)物很多。隨著FPSO的規(guī)模越來越大，很多散件的質(zhì)量也在與日俱增，當(dāng)現(xiàn)有浮吊的能力不足時(shí)，更換更大的浮吊雖然可行，但成本亦顯著增加。簡(jiǎn)單的聯(lián)鉤撐桿的設(shè)計(jì)應(yīng)用，可以將浮吊的多鉤優(yōu)勢(shì)發(fā)揮至更高水平，也可以在不更換浮吊的情況下加大浮吊的作業(yè)能力，結(jié)合被吊物的特性，把聯(lián)鉤撐桿的功能進(jìn)一步擴(kuò)大至吊裝全部的散件。隨著撐桿設(shè)計(jì)概念的不斷發(fā)展，魚骨型聯(lián)鉤撐桿在海洋工程施工的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

[1]劉超，賀辰，王繼強(qiáng)，等.多功能火炬塔吊裝撐桿：ZL 2016 2 1081350.6[P].（2017-05-31）.

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[3]HMCSC29-2006，Criteria for Lift Point Design[S].?

[4]惠丹，王進(jìn).海上平臺(tái)吊裝撐桿的設(shè)計(jì)[J].石油和化工設(shè)備，2014，17（4）：29-32.

[5]王世斌，亢一瀾，王燕群，等.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.

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