基于數字模型的原油接轉一體化集成裝置橇座優化

李國明，楊 光，鄭曉利，張新友

長慶工程設計有限公司，陜西西安 710016

一體化集成裝置將機械、電子、自控、信息等專業技術有機結合并高度集成于橇座，實現一種或多種工藝流程[1]。一體化集成裝置的橇座為鋼結構，其承受設備的載荷并用于整體吊裝。設計時，若橫梁、圈梁和加強梁的H型鋼的截面選擇過小，在吊裝過程中橇座會出現局部應力過大而發生塑性變形，有可能導致吊裝安全事故；若圈梁、橫梁、加強梁等使用H型鋼的截面選擇過大，則會出現材料冗余，經濟效益欠佳。

1 原油接轉一體化集成裝置及橇座

原油接轉一體化集成裝置是針對長慶油田原油集輸特點和原油物性參數研發設計的一種橇裝設備，可替代油田常規接轉站，目前已在原油生產現場投入使用62套。

原油接轉一體化集成裝置橇由加熱分離橇（11 600 mm ×2 800 mm×300 mm）和外輸泵橇（11 600 mm×2 000 mm×300 mm）兩部分組成，采用工廠預制、分體運輸、現場拼接的方式，以滿足裝置的運輸要求。

加熱分離橇橇座上放置的主要設備包括：過濾器、加熱爐、分離緩沖罐、伴生氣分液器、空冷器、氣體流量計及配套管路、閥門等。

外輸泵橇橇座上放置的主要設備包括：外輸泵、流量計及配套管路、閥門等。

2 原油接轉橇座目前使用的設計方法

將橇座及橇座上各個設備的質量載荷簡化，視為作用在梁上的均布載荷，建立原油接轉一體化集成裝置的橇座力學模型。將橇座上各個設備的質量載荷累加后，簡化為作用在橫梁、加強梁上的均布載荷。將加強梁兩端設定為固支端、簡支端，通過式（1）進行計算。

式中：f為梁的撓度，m；q2為梁承受的均布載荷，N/m；L為梁的長度，m；E為材料的彈性模量，Pa；J3為慣性距，m4。

利用式（1）求解慣性矩最大值，確定加強梁與圈梁的型號。

均布載荷力學模型與原油接轉一體化集成裝置的橇座實際載荷分布不完全一致，一般橇座橫梁載荷為集中載荷，主加強梁為局部均布載荷，因此，按照式（1）所選擇的H型鋼截面過大，存在材料選擇冗余。同時，材料許用撓度參照《鋼結構設計規范》（GB 50017—2017）[2]B.1受彎構件的變形容許值[δ]（許用撓度）選擇L/800[3]，對于橇座許用形變過于苛刻，安全系數過大，也存在材料選擇冗余。此外，橇座中圈梁、橫梁、加強梁、加強筋等焊接成一個整體結構，在裝置整體吊裝時，將橇座作為一個整體進行受力分析，更符合實際工況。

為此，建立三維數字模型，精準計量橇座吊裝時的載荷大小與分布，將橇座作為一個整體受力單元，利用有限元分析數值模擬，以優化橇座的結構設計。

3 有限元分析前置條件

原油接轉一體化集成裝置的橇座有兩種受力狀態，即集成裝置整體吊裝時的受力狀態和放置在混凝土基礎上運行時的受力狀態。由于吊裝過程中橇座容易出現應力過大及變形，因此選擇橇座的吊裝受力狀態作為危險邊界進行分析與優化。在橇座上任取一單元體進行受力分析，如圖1所示。

圖1 橇座有限元單元格受力分析

橇座在平衡狀態下，在各個方向上所受的力的總和為0，則平衡方程：

根據單元節點位移和單元應變的關系，變形協調方程：

在SOLIDWORKS軟件中，建立原油接轉一體化集成裝置數字模型，即數字化樣機，如圖2所示。設定橇座及橇座上的設備、構/配件的材質及密度，以準確計算橇座及橇座上設備的質量，并利用SOLIDWORKS軟件計算得出整個裝置的質心。隨后將建立的原油接轉一體化集成裝置模型導入SOLIDWORKS SIMULATION有限元分析模塊中，進行裝置吊裝時橇座有限元分析。

圖2 原油接轉一體化集成裝置模型

裝置吊裝時，橇座有限元分析根據圖1所示的單元格進行受力分析，以式（2）受力平衡方程和式（3）變形協調方程為基礎進行。

4 加熱分離橇吊裝過程有限元分析[4-9]

4.1 參數化數字建模

加熱分離橇座長11 600 mm、寬2 800 mm、高300 mm，主要由圈梁、橫梁、加強梁、鋪板、吊軸、加強筋等結構件焊接而成。其中圈梁、橫梁、加強梁所用材質為Q235B的H300型鋼，加強筋所用材質為Q235B的L100等邊角鋼。

SOLIDWORKS軟件支持參數化數字建模，將截面保存為單獨的參數化模型，在模型優化修改時，僅改變一個參數，即可實現整個H型鋼或角鋼的型號修改。

4.2 橇座三維模型建立及簡化

利用SOLIDWORKS軟件，通過使用焊接結構中的草圖及截面輪廓等操作菜單搭建圈梁、橫梁、加強梁、加強筋等結構；使用板材拉伸的方式建立墊墩和吊軸的結構；使用結合命令，將所有結構合并模擬焊接，加熱分離橇座三維模型如圖3所示。橇座主要受力部分為圈梁、橫梁、加強梁、加強筋等結構，鋪板（花紋鋼板，厚度6 mm）在結構中主要起固定管道的作用且重量較輕，因此將鋪板在有限元分析時省略，以減少計算量。受力分析主要是對橇座整體結構進行受力計算，按照焊縫等強性原則，假設焊接強度足夠，將焊縫簡化省略。

圖3 加熱分離橇座三維模型

4.3 建立有限元分析模型

將Q235B的材料屬性信息（楊氏彈性模量E=2.06×105MPa、泊松比 u=0.3、密度 ρ=7 800 kg/m3）添加到有限元分析軟件中。按照各焊接點強度足夠、變形可忽略的條件，將接觸設置為結合。在吊裝時，吊軸穿插在橇座上，在吊軸承壓面上的節點受到徑向位移的約束。在有限元分析時，使用約束來代替吊軸，4個吊軸處設置4個固定，如圖4所示。

圖4 加熱分離橇座吊裝條件約束

建立約束后進行載荷加載。分離加熱橇的主要受力是設備的重力及橇座重力。設備的重力包括工藝管道、容器、泵閥等，其載荷由設備支座傳遞至橇座，載荷施加于整個設備的重心，重心位置通過軟件計算得出，如圖5所示，重力約為178 000 N，方向豎直向下。橇座重心位置通過軟件計算得出（如圖6所示），重力為88 000 N，方向豎直向下。

圖5 加熱分離橇上設備等重心位置分析計算

圖6 加熱分離橇座重心位置分析計算

橇座整體結構采用四面體實體網格，網格的數量為1 096 244個，網格的最大寬高比為1.8，滿足有限元分析要求。四面體實體網格適應能力較強，能適應各種復雜結構，橇座結構主要由H型鋼、角鋼和鋼板組成，各部分主要以焊接連接，在網格劃分時采用整體結合，橇座為一個整體結構，因此邊角處理時采用應力大的地方網格局部加密；在H型鋼的厚度方向上至少保證2層網格，其他區域網格適中，均勻過度，可保證計算結果的精度較高且計算效率高，橇座網格劃分示意及其具體參數分別見圖7、表1。

表1 有限元分析網格劃分具體參數

圖7 橇座吊軸網格劃分示意

4.4 有限元分析結果

從圖8的仿真結果得出：橇座的最大形變量為1 mm，出現在設備支座下方的主加強梁上；整個裝置在吊裝時，最大形變量在設備支座處，為1.2 mm。

圖8 加熱分離橇形變分布/mm

從圖9的仿真結果得出，橇座的最大應力區域為吊軸周圍以及設備支座下的主加強梁處，應力值約50 MPa。依據JB 4732—1995的3.6.5.1條（一般的鋼材設計許用應力強度為常溫下抗拉強度下限值的1/2.6或常溫下屈服強度的1/1.5或設計溫度下屈服強度的1/1.5中的最小值），由于Q235B鋼常溫下的抗拉強度下限為370 MPa，常溫下的屈服強度為235 MPa，因此Q235B鋼常溫下的設計許用應力為142 MPa，而橇座吊裝時的最大應力約50 MPa，即小于設計許用應力。對比有限元分析結果（最大應力約50 MPa）與設計許用應力（142 MPa）之間差值近2倍，橇座結構優化有一定的空間。

圖9 加熱分離橇應力分布/Pa

4.5 優化后的橇座結構有限元分析

將圈梁、橫梁、主加強梁橫截面尺寸由H300減小到H250，加強筋截面尺寸不變，其他條件不變，進行分析計算。

從圖10的仿真結果得出橇座的最大形變量約為1.2 mm，出現在設備支座下方的主加強梁上；整個裝置在吊裝時的最大形變量仍在設備支座處，為1.5 mm。

圖10 優化結構后加熱分離橇形變分布/mm

從圖11的仿真結果得出，優化后的橇座的最大應力區域仍為吊軸周圍以及設備支座下的主加強梁處，應力在60 MPa左右，滿足JB 4732—1995的設計許用應力要求。

圖11 優化結構后加熱分離橇應力分布/Pa

加強筋截面尺寸等其他條件不變，將圈梁、橫梁、主加強梁橫截面尺寸設置為H200與H150，進行分析計算，最大應力值與最大形變量結果見表2，形變最大區域均為橇座主加強梁與設備支座，應力最大區域均為吊裝周圍及主加強梁下部。

表2 圈梁、橫梁、主加強梁選用不同H型鋼有限元分析結果

綜合以上分析結果，將加熱分離橇的圈梁、橫梁、加強梁、加強筋等結構截面優化至H250，能夠滿足吊裝要求。

4.6 外輸橇吊裝過程受力分析

按照加熱分離橇的有限元分析過程，對外輸泵橇吊裝過程進行分析。根據外輸泵橇三維模型，進行模型簡化，添加載荷，分析離心泵重力、橇座自身重力等。將以上受力分析加載到有限元分析模型中進行計算，具體過程如圖12～圖16`所示。

圖12 外輸泵橇三維模型

圖13 外輸泵橇荷載添加

圖14 外輸泵橇吊裝時重力分布

圖15 外輸泵橇形變分布/mm

圖16 外輸泵橇應力分布/Pa

從圖15的仿真結果得出橇座的最大形變量為1.6 mm，出現在橇座中間側邊位置，由橇座自身的重力產生，可通過合理布置加強筋以減少形變。

從圖16的仿真結果得出，應力值最大處在外輸泵安裝的加強筋處，最大應力約為0.26 MPa，應力遠遠小于使用溫度下的Q235B的設計許用應力（90 MPa），可通過合理布置、增大加強筋截面或減少圈梁、橫梁、加強梁來優化橇座結構。

5 結束語

（1）基于SOLIDWORKS軟件建立原油接轉一體化集成裝置三維數字模型，實現了參數化建模，有限元分析在同一軟件平臺下完成，可便捷地完成對橇座結構的設計優化。

（2）選擇圈梁、橫梁、主加強梁為H250橇座結構，在滿足吊裝安全的前提下，每套原油接轉一體化集成裝置可節約鋼材約1.98 t，同時減少了橇座制造的工作量和碳排放量，經濟和社會效益明顯。

（3）利用經典的力學形變公式校核，選用主加強梁的截面尺寸，以及通過集中載荷選用圈梁與橫梁截面尺寸，安全系數較大，但經濟性欠佳。

（4）通過SOLIDWORKS SIMULATION有限元分析軟件進行橇座有限元分析，探索出一體化集成裝置較為科學、經濟的橇座結構設計方法，可為其他一體化集成裝置的橇座結構設計與優化提供參考。